Квантовые компьютеры что это такое
Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен — T&P
Евгений Глушков
Студент шестого курса МФТИ, инженер лаборатории искусственных квантовых систем, создатель и редактор ресурса Make It Quantum.
До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоретической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями — квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки — квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в XXI веке ученые вплотную приблизятся к созданию квантового компьютера.
Вначале квантовая механика позволила объяснить структуру атома и помогла понять происходящие внутри него процессы. По большому счету сбылась давняя мечта алхимиков о превращении атомов одних элементов в атомы других (да, даже в золото). А знаменитая формула Эйнштейна E=mc2 привела к появлению атомной энергетики и, как следствие, атомной бомбы.
Квантовый процессор на пяти кубитах от IBM
Дальше — больше. Благодаря работам Эйнштейна и английского физика Поля Дирака во второй половине XX века был создан лазер — тоже квантовый источник сверхчистого света, собранного в узкий пучок. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию не одному десятку ученых, а сами лазеры нашли свое применение почти во всех сферах человеческой деятельности — от промышленных резаков и лазерных пушек до сканеров штрихкодов и коррекции зрения. Примерно в то же время шли активные исследования полупроводников — материалов, с помощью которых можно легко управлять протеканием электрического тока. На их основе были созданы первые транзисторы — они в дальнейшем стали главными строительными элементами современной электроники, без которой сейчас мы уже не представляем свою жизнь.
Быстро и эффективно решать многие задачи позволило развитие электронных вычислительных машин — компьютеров. А постепенное уменьшение их размеров и стоимости (в связи с массовым производством) проложило компьютерам дорогу в каждый дом. С появлением интернета наша зависимость от компьютерных систем, в том числе и для коммуникации, стала еще сильнее.
Ричард ФейнманЗависимость растет, постоянно растут вычислительные мощности, но настала пора признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом начал говорить знаменитый физик Ричард Фейнман: еще в 1981 году на конференции он заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Все дело в ее квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо — привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то в качестве альтернативы Фейнман предложил использовать для расчетов физических систем квантовые компьютеры.
Что же такое квантовый компьютер и в чем его отличие от компьютеров, к которым мы привыкли? Все дело в том, как мы представляем себе информацию.
Если в обычных компьютерах за эту функцию отвечают биты — нули и единички, — то в квантовых компьютерах им на смену приходят квантовые биты (сокращенно — кубиты). Сам кубит — вещь довольно простая. У него по-прежнему два основных значения (или состояния, как любят говорить в квантовой механике), которые он может принимать: 0 и 1. Однако благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно.
В этом и заключается параллельность квантовых вычислений с кубитами. Все случается сразу — уже не нужно перебирать все возможные варианты состояний системы, а это именно то, чем занимается обычный компьютер. Поиск по большим базам данных, составление оптимального маршрута, разработка новых лекарств — лишь несколько примеров задач, решение которых способны ускорить во множество раз квантовые алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа нужно перебрать огромное количество вариантов.
Кроме того, для описания точного состояния системы теперь не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, ведь для расчета системы из 100 частиц достаточно 100 кубитов, а не триллионов триллионов бит. Более того, с ростом числа частиц (как в реальных сложных системах) эта разница становится еще существеннее.
Одна из переборных задач выделялась своей кажущейся бесполезностью — разложение больших чисел на простые множители (то есть делящиеся нацело только на самих себя и единицу). Это называется «факторизация». Дело в том, что обычные компьютеры умеют довольно быстро перемножать числа, пусть даже и весьма большие. Однако с обратной задачей разложения большого числа, получившегося в результате перемножения двух простых чисел, на исходные множители обычные компьютеры справляются очень плохо. Например, чтобы разложить на два сомножителя число из 256 цифр, даже самому мощному компьютеру понадобится не один десяток лет. А вот квантовый алгоритм, который может решить эту задачу за несколько минут, придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.
-
Первый российский кубит под электронным микроскопом
-
Квантовый процессор на девяти кубитах от Google
С появлением алгоритма Шора перед научным сообществом встала серьезная проблема. Еще в конце 1970-х годов, основываясь на сложности задачи факторизации, ученые-криптографы создали алгоритм шифрования данных, получивший повсеместное распространение. В частности, с помощью этого алгоритма стали защищать данные в интернете — пароли, личную переписку, банковские и финансовые транзакции. И после многолетнего успешного использования вдруг оказалось, что зашифрованная таким способом информация становится легкой мишенью для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Дешифровка с его помощью становится минутным делом. Радовало одно: квантовый компьютер, на котором можно было бы запустить смертоносный алгоритм, еще не был создан.
Тем временем по всему миру десятки научных групп и лабораторий стали заниматься экспериментальными исследованиями кубитов и возможностями создания из них квантового компьютера. Ведь одно дело — теоретически придумать кубит, и совсем другое — воплотить его в реальность. Для этого было необходимо найти подходящую физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно использовать в качестве базовых состояний кубита — нуля и единицы. Сам Фейнман в своей пионерской статье предлагал использовать для этих целей закрученные в разные стороны фотоны, но первыми экспериментально созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы. За ионами последовали многие другие физические реализации: ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи — все они отвечали поставленным требованиям.
Такое разнообразие имело свои достоинства. Подгоняемые острой конкуренцией, различные научные группы создавали все более совершенные кубиты и строили из них все более сложные схемы. Основных соревновательных параметров у кубитов было два: время их жизни и количество кубитов, которые можно было заставить работать сообща.
Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем
Время жизни кубитов задавало то, как долго в них хранилось хрупкое квантовое состояние. Это, в свою очередь, определяло, сколько вычислительных операций можно было выполнить с кубитом, пока он не «умер».
Для эффективной работы квантовых алгоритмов нужен был не один кубит, а хотя бы сотня, причем работающая вместе. Проблема заключалась в том, что кубиты не очень любили соседствовать друг с другом и выражали протест драматическим уменьшением своего времени жизни. Чтобы обойти эту неуживчивость кубитов, ученым приходилось идти на всяческие ухищрения. И все же на сегодняшний день ученым удалось заставить работать вместе максимум один-два десятка кубитов.
Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер — все еще дело будущего. Хотя уже совсем не такого далекого, как могло когда-то казаться, ведь к его созданию активно подключаются как крупнейшие корпорации вроде Intel, IBM и Google, так и отдельные государства, для которых создание квантового компьютера — вопрос стратегической важности.
Не пропустите лекцию:
theoryandpractice.ru
Квантовый процессор: описание, принцип работы
О квантовых вычислениях, по крайней мере в теории, говорят уже несколько десятилетий. Современные типы машин, использующие неклассическую механику для обработки потенциально немыслимых объемов данных, стали большим прорывом. По мнению разработчиков, их реализация оказалась, пожалуй, самой сложной технологией из когда-либо созданных. Квантовые процессоры работают на уровнях материи, о которых человечество узнало всего 100 лет назад. Потенциал таких вычислений огромен. Использование причудливых свойств квантов позволит ускорить расчеты, поэтому многие задачи, которые в настоящее время классическим компьютерам не по силам, будут решены. И не только в области химии и материаловедения. Уолл-стрит также проявляет заинтересованность.
Инвестиции в будущее
CME Group проинвестировала ванкуверскую компанию 1QB Information Technologies Inc., разрабатывающую программное обеспечение для процессоров квантового типа. По мнению инвесторов, такие вычисления, вероятно, окажут наибольшее влияние на отрасли, которые работают с большими объемами чувствительных ко времени данных. Примером таких потребителей являются финансовые учреждения. Goldman Sachs инвестировал в D-Wave Systems, а компания In-Q-Tel финансируется ЦРУ. Первая производит машины, которые делают то, что называется «квантовым отжигом», т. е. решает низкоуровневые задачи оптимизации с помощью квантового процессора. Intel тоже занимается инвестированием в данную технологию, хотя считает ее реализацию делом будущего.
Зачем это нужно?
Причина, по которой квантовые вычисления являются столь захватывающими, кроется в их идеальном сочетании с машинным обучением. В настоящее время это основное приложение для подобных расчетов. Отчасти это следствие самой идеи квантового компьютера – использование физического устройства для поиска решений. Иногда данную концепцию объясняют на примере игры Angry Birds. Для имитации гравитации и взаимодействия сталкивающихся объектов ЦПУ планшета использует математические уравнения. Квантовые процессоры ставят такой подход с ног на голову. Они «бросают» несколько птиц и смотрят, что происходит. В микрочип записывается задача: это птицы, их бросают, какова оптимальная траектория? Затем проверяются все возможные решения или, по крайней мере, очень большое их сочетание, и выдается ответ. В квантовом компьютере задачи решает не математик, вместо него работают законы физики.
Как это функционирует?
Основные строительные блоки нашего мира – квантово-механические. Если посмотреть на молекулы, то причина, по которой они образуются и остаются стабильными - взаимодействие их электронных орбиталей. Все квантово-механические расчеты содержатся в каждой из них. Их количество растет экспоненциально росту числа моделируемых электронов. Например, для 50 электронов существует 2 в 50-й степени возможных вариантов. Это феноменально большое количество, поэтому рассчитать его сегодня нельзя. Подключение теории информации к физике может указать путь к решению таких задач. 50-кубитовному компьютеру это по силам.
Заря новой эры
Согласно Лэндону Даунсу, президенту и соучредителю компании 1QBit, квантовый процессор – это возможность использовать вычислительные мощности субатомного мира, что имеет огромное значение для получения новых материалов или создания новых лекарств. Происходит переход от парадигмы открытий к новой эре дизайна. Например, квантовые вычисления можно использовать для моделирования катализаторов, которые позволяют извлекать углерод и азот из атмосферы, и тем самым помочь остановить глобальное потепление.
На передовой прогресса
Сообщество разработчиков данной технологии чрезвычайно взволновано и занято активной деятельностью. Команды по всему миру в стартапах, корпорациях, университетах и правительственных лабораториях наперегонки строят машины, в которых используются различные подходы к обработке квантовой информации. Созданы сверхпроводящие кубитовые чипы и кубиты на захваченных ионах, которыми занимаются исследователи из Университета штата Мэриленд и Национального института стандартов и технологий США. Microsoft разрабатывает топологический подход под названием Station Q, целью которого является применение неабелева аниона, существование которого еще окончательно не доказано.
Год вероятного прорыва
И это только начало. По состоянию на конец мая 2017 г. количество процессоров квантового типа, которые однозначно делают что-то быстрее или лучше, чем классический компьютер, равно нулю. Такое событие установит «квантовое превосходство», но пока оно не произошло. Хотя вероятно, что это может свершиться еще в этом году. Большинство инсайдеров говорит, что явным фаворитом является группа Google во главе с профессором физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джоном Мартини. Ее цель – достижение вычислительного превосходства с помощью 49-кубитного процессора. К концу мая 2017 г. команда успешно тестировала 22-кубитный чип в качестве промежуточного шага к разборке классического суперкомпьютера.
С чего все началось?
Идее использования квантовой механики для обработки информации уже десятки лет. Одно из ключевых событий произошло в 1981 году, когда IBM и MIT совместно организовали конференцию по физике вычислений. Знаменитый физик Ричард Фейнман предложил построить квантовый компьютер. По его словам, для моделирования следует воспользоваться средствами квантовой механики. И это прекрасная задача, поскольку не выглядит такой простой. У квантового процессора принцип действия основан на нескольких странных свойствах атомов – суперпозиции и запутанности. Частица может находиться в двух состояниях одновременно. Однако при измерении она окажется только в одном их них. И невозможно предугадать, в каком, кроме как с позиции теории вероятности. Этот эффект лежит в основе мысленного эксперимента с котом Шредингера, который находится в коробке одновременно живым и мертвым до тех пор, пока наблюдатель украдкой туда не заглянет. Ничто в повседневной жизни не работает подобным образом. Тем не менее, около 1 млн экспериментов, проведенных с начала ХХ века, показывают, что суперпозиция действительно существует. И следующим шагом будет выяснение того, как использовать эту концепцию.
Квантовый процессор: описание работы
Классические биты могут принимать значение 0 или 1. Если пропустить их строку через «логические вентили» (И, ИЛИ, НЕ и т. д.), то можно умножать числа, рисовать изображения и т. п. Кубит же может принимать значения 0, 1 или оба одновременно. Если, скажем, 2 кубита запутаны, то это делает их совершенно коррелированными. Процессор квантового типа может использовать логические вентили. Т. н. вентиль Адамара, например, помещает кубит в состояние совершенной суперпозиции. Если суперпозицию и запутанность совместить с умно расположенными квантовыми вентилями, то начинает раскрываться потенциал субатомных вычислений. 2 кубита позволяют исследовать 4 состояния: 00, 01, 10 и 11. Принцип работы квантового процессора таков, что выполнение логической операции дает возможность работать со всеми положениями сразу. И число доступных состояний равно 2 в степени количества кубитов. Так что, если сделать 50-кубитный универсальный квантовый компьютер, то теоретически можно исследовать все 1,125 квадриллиона комбинаций одновременно.
Кудиты
Квантовый процессор в России видят несколько иначе. Ученые из МФТИ и Российского квантового центра создали «кудиты», представляющие собой несколько «виртуальных» кубитов с различными «энергетическими» уровнями.
Амплитуды
Процессор квантового типа обладает тем преимуществом, что квантовая механика базируется на амплитудах. Амплитуды подобны вероятности, но они также могут быть отрицательными и комплексными числами. Так что, если необходимо рассчитать вероятность события, можно сложить амплитуды всевозможных вариантов их развития. Идея квантовых вычислений заключается в попытке настройки интерференционной картины таким образом, чтобы некоторые пути к неправильным ответам имели положительную амплитуду, а некоторые – отрицательную, и поэтому они бы компенсировали друг друга. А пути, ведущие к правильному ответу, имели бы амплитуды, которые находятся в фазе друг с другом. Хитрость в том, что необходимо все организовать, не зная заранее, какой ответ правильный. Так что экспоненциальность квантовых состояний в сочетании с потенциалом интерференции между положительными и отрицательными амплитудами является преимуществом вычислений данного типа.
Алгоритм Шора
Есть много задач, которые компьютер не в состоянии решить. Например, шифрование. Проблема заключается в том, что не так легко найти простые множители 200-значного числа. Даже если ноутбук работает с отличным ПО, то, возможно, придется ждать годы, чтобы найти ответ. Поэтому еще одной вехой в квантовых вычислениях стал алгоритм, опубликованный в 1994 г. Питером Шором, теперь профессором математики в MIT. Его метод заключается в поиске множителей большого числа с помощью квантового компьютера, которого тогда еще не существовало. По сути, алгоритм выполняет операции, которые указывают на области с правильным ответом. В следующем году Шор открыл способ квантовой коррекции ошибок. Тогда многие поняли, что это – альтернативный способ вычислений, который в некоторых случаях может быть более мощным. Тогда последовал всплеск интереса со стороны физиков к созданию кубитов и логических вентилей между ними. И вот, два десятилетия спустя, человечество стоит на пороге создания полноценного квантового компьютера.
fb.ru
Квантовые компьютеры: принципы работы
По прогнозам экспертов уже совсем скоро, лет через 10, микросхемы в компьютерах достигнут атомных измерений. Представляется логичным, что грядет эпоха квантовых компьютеров, с помощью которых скорость вычислительных систем может повыситься на несколько порядков.
Идея квантовых компьютеров сравнительно нова: в 1981 году Пол Бениофф впервые теоретически описал принципы работы квантовой машины Тьюринга.
В 1930-х Алан Тьюринг впервые описал теоретическое устройство, представляющее собой бесконечную ленту, разделенную на маленькие ячейки. Каждая ячейка может содержать в себе символ 1 или 0, или же остается пустой.
Управляющее устройство перемещается по ленте, считывая символы и записывая новые. Из набора таких символов составляется программа, которую машина должна выполнить.
В квантовой машине Тьюринга, предложенной Бениоффом, принципы работы остаются теми же, с той разницей, что как лента, так и управляющее устройство находятся в квантовом состоянии.
Это значит, что символы на ленте могут быть не только 0 и 1, но и суперпозициями обоих чисел, т. е. 0 и 1 одновременно. Таким образом, если классическая машина Тьюринга способна одновременно исполнять лишь одно вычисление, то квантовая занимается несколькими вычислениями параллельно.
Сегодняшние компьютеры работают по тому же принципу, что и нормальные машины Тьюринга – с битами, которые находятся в одном из двух состояний: 0 или 1. У квантовых компьютеров таких ограничений нет: информация в них зашифрована в квантовых битах (кубитах), которые могут содержать суперпозиции обоих состояний.
Работа над частью квантового компьютера D-Wave
©D-Wave Systems
Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть атомы, ионы, фотоны или электроны, имеющие два квантовых состояния. Фактически, если сделать элементарные частицы носителями информации, с помощью них можно построить компьютерную память и процессоры нового поколения.
Благодаря суперпозиции кубитов квантовые компьютеры изначально рассчитаны на выполнение параллельных вычислений. Этот параллелизм, по мнению физика Дэвида Дойча, позволяет квантовым компьютерам выполнять одновременно миллионы вычислений, в то время, как современные процессоры работают лишь с одним единственным.
30-кубитный квантовый компьютер по мощности будет равен суперкомпьютеру, работающему с производительностью 10 терафлопс (триллион операций в секунду). Мощность современных настольных компьютеров измеряется всего лишь гигафлопсах (миллиард операций в секунду).
Другое важное квантовомеханическое явление, которое может быть задействовано в квантовых компьютерах, называется «запутанностью». Основная проблема считывания информации из квантовых частиц заключается в том, что в процессе измерения они могут изменить свое состояние, причем совершенно непредсказуемым образом.
Фактически, если считать информацию с кубита, находящегося в состоянии суперпозиции, получим лишь 0 или 1, но никогда не оба числа одновременно. А это значит, что вместо квантового, мы будем иметь дело с нормальным классическим компьютером.
Чтобы решить эту проблему, ученые должны использовать такие измерения, которые не разрушают квантовую систему. Квантовая запутанность предоставляет потенциальное решение.
В квантовой физике, если приложить внешнюю силу к двум атомам, их можно «запутать» вместе таким образом, что один из атомов будет обладать свойствами другого. Это, в свою очередь, приведет к тому, что, например, измеряя спин одного атома, его «запутанный» близнец сразу примет противоположный спин.
Такое свойство квантовых частиц позволяет физикам узнать значение кубита, не измеряя его непосредственно.
В один прекрасный день квантовые компьютеры могут заменить кремниевые чипы, подобно тому, как транзисторы пришли на смену вакуумным трубкам. Однако современные технологии пока еще не позволяют строить полноценные квантовые компьютеры.
Сборка процессора квантового компьютера D-Wave Two
©D-Wave Systems
Тем не менее, с каждым годом исследователи объявляют о новых достижениях в области квантовых технологий, и надежда, что когда-нибудь квантовые компьютеры смогут превзойти обычные, продолжает крепнуть.
1998
Исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации.
2000
В марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-кубитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости.
2001
Демонстрация вычисления алгоритма Шора специалистами из IBM и Стэнфордского университета на 7-кубитном квантовом компьютере.
2005
В институте квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете впервые удалось создать кубайт (сочетание 8 кубитов) с помощью ионных ловушек.
2007
Канадская компания D-Wave продемонстрировала первый 16-кубитный квантовый компьютер, способный решать целый ряд задач и головоломок, типа судоку.
С 2011 года D-Wave предлагает за $11 млн долларов квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу – дискретную оптимизацию.
naked-science.ru
Взломать пин-код и идеально собрать рюкзак
Подбор пин-кода - элементарная задача для квантового компьютера. Фото Consumerist Dot Com/flickr
Квантовый компьютер — одна из самых модных тем в науке последних лет и обязательная часть ожидаемого будущего. «Чердак» объясняет, что такое квантовые компьютеры, чем они лучше обычных и — главное — когда их можно будет купить в магазине.
Задача рюкзака и идеальный маршрут Представьте: у вас выдался выходной и вы можете переделать все дела, которые откладывали из-за работы. Вечером в пятницу вы пишете план: купить продукты, поплавать в бассейне, отдать пальто в химчистку, забрать с почты посылку, забежать в книжный, постричься и, наконец, пообедать в новом ресторане. Дел много, поэтому вы хотите спланировать день так, чтобы посетить все нужные места за минимальное время и не ходить лишнего. Казалось бы, ничего сложного, но если вы всерьез решите составить идеальный маршрут, у вас пропадут не только выходные, но еще и пара лет рабочего времени. Описанная выше задача — оптимизировать перемещение по нескольким местам — в математике известна как задача коммивояжера, и ее невозможно решить за разумное время. Если мест назначения немного, скажем пять, вычислить кратчайшую траекторию несложно. Число вариантов для 15 точек составит уже 43 589 145 600. Если на оценку каждого тратить одну секунду, для перебора всех возможностей придется просидеть за столом 138 лет. Для 66 точек время решения превысит несколько миллиардов лет — при условии, что вы используете компьютер и он тратит на оценку одного варианта доли секунды. Задача коммивояжера — не единственная, которую нельзя решить «в лоб» даже при помощи гигантских суперкомпьютеров. Подобные проблемы, не решаемые за разумное время, называются NP-полными, и они играют важную роль в обычной жизни. Именно благодаря их сложности вы, например, можете безопасно оплачивать покупки карточкой. К вашей карте помимо пина привязано очень большое число, которое делится на пин без остатка. Когда вы вводите пин, оплачивая покупку, банкомат делит большое число на то, что ввели вы, и проверяет ответ. Если злоумышленник захочет подобрать правильное число, которое при делении давало бы нужный результат, он закончит работу тогда, когда во Вселенной не останется ни вашей карточки, ни планеты Земля.
Подбор пин-кода — элементарная задача для квантового компьютера. Фото: Consumerist Dot Com/flickr С еще одной NP-полной задачей вы сталкиваетесь, пытаясь выбрать, что ценного привезти из командировки, учитывая, что вес багажа ограничен. Если каждый раз вы не можете определиться, не расстраивайтесь: понять, как уложить в чемодан покупки на максимальную сумму и при этом не выйти за лимит по весу, невозможно за время человеческой жизни. Задача о рюкзаке — так эта проблема именуется в математике — определяет огромное количество решений в жизни: от выбора стратегии оптимального капиталовложения до схемы, как разместить товары на складе ограниченного объема. 
Собрать рюкзак, упаковав в него нужные вещи с учетом ограничений, невозможно за время человеческой жизни. Фото: Jillian Kern/flickr Помочь в решении NP-полных задач не может ни одно классическое вычислительное устройство в мире. Классическое — то есть основанное на привычных алгоритмах и решающее в единицу времени только одну задачу (многозадачность современных операционных систем искусственная, а базовые процессы по-прежнему происходят по очереди). Все, на что они способны, — слегка уменьшить время решения. Но существуют машины, которые справляются с NP-полными задачами за считанные секунды. Это квантовые компьютеры, и впервые их существование предрек выдающийся физик Ричард Фейнман. Все и сразу
Еще в 1981 году, отвечая на вопрос, можно ли смоделировать физику на компьютере, он ответил, что можно, но не всю: квантовые процессы — то есть процессы, которые происходят с элементарными частицами, — принципиально не могут быть воспроизведены на обычном компьютере. Эти процессы включают слишком много составляющих, и чтобы проследить их все, нужно огромное количество времени. Предположим, что для описания одной элементарной частицы достаточно двух переменных (в реальности их больше). Для того чтобы описать n частиц, нужно 2n переменных. Для описания 100 частиц требуется 2^{100} переменных, и это число с 30 нулями.
Расстроив слушателей, Фейнман предложил выход из затруднительной ситуации с моделированием физики: если квантовые процессы нельзя смоделировать на классических ЭВМ, то почему бы не использовать для этого квантовые компьютеры? Спустя 30 с небольшим лет идея Фейнмана воплотилась в реальных устройствах: квантовые компьютеры существуют и решают реальные задачи. Квантовый компьютер, как и классический, оперирует информацией, выраженной в битах. Но в отличие от стандартных машин, которые работают только с двумя состояниями бита — 0 и 1 — квантовые вычислительные устройства легко совмещают их в любых пропорциях. Если представить два состояния классического бита стрелочками, направленными вверх и вниз, то состояния квантового бита (кубита) можно изобразить (очень грубо) как поверхность сферы, и выходящая из ее центра «стрелочка» кубита может поворачиваться в любых направлениях в зависимости от того, какая «доля» 0 и 1 есть в том или ином состоянии кубита. Такое смешанное состояние называется суперпозицией.
Художественное представление кубита. Изображение: Saltay Boltay/shutterstock Благодаря тому что кубит может одновременно существовать во многих состояниях, оперирующий кубитами квантовый компьютер легко справляется с задачами, требующими перебора. Вместо того чтобы по одному рассматривать все состояния системы (например, варианты упаковки рюкзака), он анализирует множество состояний одновременно, позволяя сократить время решения на порядки. Если говорить о реальных задачах, например о разложении числа на множители (например, для взлома пин-кода), то для числа с 400 значимыми цифрами мощный суперкомпьютер найдет решение за 10 миллиардов лет, а несложный квантовый — за три года. Еще одна сложная задача для квантовых компьютеров, недоступная обычным ЭВМ, — моделирование новых материалов. Просчитать, как именно будут взаимодействовать молекулы в листе проектируемого полезного материала, не могут даже гигантские суперкомпьютеры. Поэтому новые материалы создаются так медленно. Реальность
Правда, пока кантовые компьютеры так лихо решают NP-полные задачи только в теории. На практике самым сложным вычислением, которое осилила система из кубитов, стало разложение 15 на множители 5 и 3. Это было сделано в 2001 году при помощи ЯМР (ядерно-магнитного резонанса) в лабораториях компании IBM. Эксперимент был реализован так: в жидкости плавало множество (а именно 1018, или миллиард миллиардов) специально созданных молекул, у каждой из которых было семь спинов. Молекулы, а точнее их спины, вели себя как кубиты. Чтобы заставить молекулы взаимодействовать, ученые использовали радиоимпульсы, а затем измеряли спины проконтактировавших кубитов. За прошедшие 14 лет исследователи научились делать более простые и более дешевые кубиты, повторили эксперимент на сверхпроводниковых кубитах (кстати, недавно в России также создали сверхпроводящий кубит), но прорыва в вычислительной мощности квантовых компьютеров не произошло.
И тем не менее физики оптимистичны. «Были принципиальные трудности, которые видели многие физики и которые казались непреодолимыми. Сейчас они преодолены, и дальше вопрос только в технических ухищрениях. То есть это не является принципиально невозможным», — объясняет Алексей Устинов, профессор Технологического института Карлсруэ (Германия), который руководит одной из исследовательских групп Российского квантового центра. «Чердак» пообщался с ученым на третьей международной конференции по квантовым технологиям, которая проходит в Москве с 13 по 17 июля.
Ученые из Технологического института Джорджии работают над оптическими ловушками — устройствами, при помощи которых создаются кубиты. Фото: Rob Felt, Georgia Tech Research Institute Главным препятствием, из-за которого многие ученые сомневались, что создать квантовый компьютер в принципе возможно, было малое время когерентности — то есть то время, в течении которого кубит остается в состоянии суперпозиции, а не изменяет его произвольно из-за внешних воздействий. Когда кубиты живут долго, исследователи успевают убедиться, что квантовый компьютер не наделал ошибок, а если ошибки все же есть, то — исправить их. Работающие протоколы исправления ошибок превращают квантовые вычислительные устройства из занятной игрушки в работающую машину. Еще один способ сделать квантовые компьютеры более надежными — «размазать» состояние одного кубита по нескольким. Такие «сложные» кубиты, в которых одно состояние кодируется несколькими физическими носителями, называются логическими кубитами, и именно они считаются наиболее перспективными. По мере того как инженеры будут создавать все более сложные квантовые компьютеры, они неизбежно столкнутся с проблемой черного ящика. Пока ученые имеют дело с не очень сложными квантовыми системами, они могут смоделировать — и понять — их работу, моделируя ее на классических компьютерах. Для систем из большого количества кубитов создать такую модель принципиально невозможно — ровно потому, что квантовые системы приспособлены решать задачи, недоступные стандартным компьютерам. «Для проверки нам придется рассчитывать одно и то же несколькими способами и сверять квантовый компьютер с квантовым компьютером, — говорит Устинов. — Но такой сложности мы пока еще не достигли и можем проверить все, что делают квантовые компьютеры, на обычных». Самый «продвинутый» квантовый компьютер сегодня состоит из девяти кубитов. Ученый полагает, что первые работающие квантовые вычислительные устройства, которые решают конкретные задачи, появятся лет через десять. С универсальным квантовым компьютером все сложнее: в самом ближайшем будущем такая машина вряд ли появится. Кстати, уже сегодня за каких-то 11 миллионов долларов можно приобрести квантовый компьютер канадской фирмы D-Wave, содержащий тысячу кубитов. На всякий случай: его уже купил Google, хотя интернет-гигант создает собственный квантовый компьютер. Правда, многие ученые с осторожностью отзываются об устройстве: по словам Устинова, есть сомнения, что оно все время работает в квантовом режиме. Кроме того, D-Wave — так называемый адиабатический квантовый компьютер, то есть взаимодействие кубитов в нем во многом пущено на самотек. Такой подход считается менее перспективным. 
Квантовый компьютер D-Wave с виду больше всего напоминает рентгеновский сканер в аэропорту. Фото: NASA (агентство тоже приобрело себе канадский квантовый компьютер) Экспериментальные квантовые компьютеры, на которых исследователи отрабатывают технологии, занимают небольшую комнату — из-за того что большинство существующих квантовых систем нужно охлаждать до сверхнизких температур: так они лучше работают. Холодильники, дающие температуры, близкие к абсолютному нулю (а это минус 273,15 градуса по Цельсию), дешевеют и работают без участия человека, но они все равно большие, так что квантовых смартфонов или ноутбуков ждать не приходится. Впрочем, они не очень нужны: обычные процессоры, установленные в мобильных устройствах, отлично справляются. Кроме того, пока у нас нет повседневных задач, требующих квантовых вычислений. Но, как это уже не раз бывало, они вполне могут появиться после того, как будет созданы поддерживающие их технологии. Ирина Якутенко 14.07.2015 в 10:18 Теги: Читать еще на Чердаке: chrdk.ru
Квантовый компьютер — его ждут и боятся
Квантовый компьютер — это не просто компьютер будущего поколения, это нечто гораздо большее. Не только с точки зрения применения новейших технологий, но и с точки зрения его неограниченных, невероятных, фантастических возможностей, способных не только изменить мир людей, но даже … создавать иную реальность.
Кубит
Как известно, современные компьютеры используют память, представленную в двоичном коде: 0 и 1. Точно так же как в азбуке Морзе — точка и титре. С помощью двух знаков можно зашифровать любую информацию, путем варьирования их сочетаний.
В памяти современного компьютера миллиарды этих битов. Но каждый из них может быть в одном из двух состояний — либо ноль, либо один. Как лампочка: либо включена, либо выключена.
Квантовый бит (кубит) — наименьший элемент хранения информации в компьютере будущего. Единицей информации в квантовом компьютере теперь может быть не только нуль или единица, а то и другое одновременно.
Одна ячейка выполняет два действия, две -четыре, четыре — шестнадцать и т. д. Именно поэтому квантовые системы могут работать в два раза быстрее и с большими объемами информации, чем современные.
Впервые «измерили» кубит (Q-bit) ученые Российского квантового центра (РКЦ) и Лаборатории сверхпроводящих мета материалов.
С технической стороны, кубит, — это диаметром в несколько микрон металлическое кольцо с разрезами, напылённое на полупроводник. Кольцо охлаждается до сверхнизких температур для того, что бы оно стало сверхпроводником. Допускаем, что ток, протекающий по кольцу, идет по часовой стрелке — это 1. Против — 0. То есть два обычных состояния.
Через кольцо пропустили микроволновое излучение. На выходе из кольца этого излучения, измеряли сдвиг тока по фазе. Оказалось, что вся эта система может находиться как в двух основных, так и смешанном состоянии: тем и другим одновременно!!! В науке это называется принципом суперпозиции.
Эксперимент русских ученых ( аналогичный провели и ученые других стран), доказал, что кубит имеет право на жизнь. Создание кубита подвело к идее и приблизило ученых к мечте по созданию оптического квантового компьютера. Осталось его только сконструировать и создать. Но не все так просто…
Сложности, проблемы в создании квантового компьютера
Если требуется, к примеру, обсчитать миллиард вариантов в современном компьютере, то ему нужно «прокрутить» миллиард подобных циклов. На квантовом компьютере имеется принципиальное отличие, он может просчитывать все эти варианты одновременно. Один из главных принципов, на которых будет работать квантовый компьютер, — это принцип суперпозиции и иначе, как магическим, его не назовешь!
Он означает, что один и тот же человек может находится в разных местах в одно и то же время. Физики шутят: » Если вас не шокирует квантовая теория, значит вы ее не поняли».
ogend.ru
