Квантовый компьютер что это такое
Квантовый компьютер — что это простыми словами, принцип действия
Очередной привет всем читателям моего блога! Вчера в новостях проскочила в очередной раз пара сюжетов о «квантовом» компьютере. Мы из школьного курса физики знаем, что квант — это некая одинаковая порция энергии, еще есть словосочетание «квантовый скачок», то есть мнгновенный переход с некоего уровня энергии на еще более высокий уровень.. Давайте вместе разбираться, что такое квантовый компьютер, и что нас всех ожидает, когда появится эта чудо машина
Я впервые начал интересоваться этой темой при просмотре фильмов про Эдварда Сноудена. Как известно, этот американский гражданин собрал несколько террабайт конфидециальной информации (компромата) о деятельности спецслужб США, хорошенько зашифровал ее и выложил в Интернет. «Если, сказал он, со мной что-нибудь случиться, информация будет расшифрована и станет таким образом доступна для всех.»
Расчет был на то, что информация эта «горячая», будет актуальна еще лет десять. А расшифровать ее можно современными вычислительными мощностями то же не меньше, чем через десять или больше лет. Квантовый же компьютер по ожиданиям разработчиков справится с этой задачей минут за двадцать пять.. Криптографы в панике. Вот такой «квантовый» скачок нас скоро ожидает, друзья.
Принципы работы квантового компьютера для чайников
Раз мы уж заговорили о квантовой физике, давайте немножко поговорим о ней. Я не буду углубляться в дебри друзья. Я ведь «чайник», а не квантовый физик. Лет сто назад Энштейн опубликовал свою теорию относительности. Все умные люди того времени удивлялись, как много в ней парадоксов и невероятных вещей. Так вот, все пародоксы Энштейна, описывающие законы нашего мира — просто невинный лепет пятилетнего ребенка по сравнению с тем, что твориться на уровне атомов и молекул.
Сами «квантовые физики», описывающие явления происходящие на уровнях электронов и молекул говорят примерно так: » Это невероятно. Этого не может быть. Но это так. Не спрашивайте нас, как это все работает. Мы не знаем, как и почему. Мы просто наблюдаем. Но это работает. Это доказано экспериментально. Вот формулы, зависимости и записи экспериментов.»
Так в чем же разница между обычным и квантовым компьютером? Ведь обычный компьютер тоже работает на электричестве, а электричество — это куча очень маленьких частиц — электронов?
Наши с Вами компьютеры работают по принципу или «Да» или «Нет». Если есть ток в проводе, это «Да»или «Единица». Если тока в проводе «Нет», то это «Ноль». Вариант значения «1 «и «0» есть единица хранения информации под названием «Бит».. Один байт это 8 бит и так далее и так далее…
Теперь представьте ваш процессор, на котором 800 миллионов таких «проводов» на каждом из которых за секунду появляется и исчезает такой вот «ноль» или «единица». И вы мысленно можете вообразить, как он обрабатывает информацию. Вы сейчас читаете текст, но на самом деле это совокупность нулей и единиц.
Путем перебора и вычислений Ваш компьютер обрабатывает Ваши запросы в Яндексе, ищет нужные до тех пор, пока не решит задачу и путем исключения не докопается до нужной Вам . Выводит на монитор шрифты, картинки в читаемом для нас виде… Пока надеюсь ничего сложного? А картинка — это тоже нули и единицы.
Представьте теперь себе друзья на секунду модель нашей солнечной системы. В центре Солнце, вокруг него летит Земля. Мы знаем, что она в определенный момент всегда находится в определенной точке пространства и через секунду она уже улетит на тридцать километров дальше.
Так вот, модель атома то же планетарная, там атом тоже вращается вокруг ядра. Но ДОКАЗАНО, друзья, умными парнями в очках, что атом в отличии от Земли одновременно и всегда находится во всех местах..Везде и нигде одновременно. И назвали они это замечательное явление «суперпозицией». Для того, чтобы познакомится поближе и другими явлениями квантовой физики, предлагаю глянуть научно-популярный фильм, где простым языком рассказывается о сложном и в довольно оригинальной форме.
Продолжим. И вот на смену «нашему» биту приходит квантовый бит. Его еще называют «Кубит». У него то же всего два исходных состояния «ноль» и «единица». Но, так как природа его «квантовая», то он может ОДНОВРЕМЕННО принимать все возможные промежуточные значения. И одновременно находиться в них. Теперь значения не надо последовательно вычислять, перебирать.., долго искать в базе. Они известны уже заранее, сразу. Вычисления идут параллельно.
Первые «квантовые» алгоритмы для математических вычислений были придуманы еще математиком из Англии Питером Шором в 1997 году. Когда он показал их миру, все шифровальщики здорово напряглись, так как существующие шифры «раскалываются» этим алгоритмом за несколько минут.. Вот только компьютеров, работающих по квантовому алгоритму тогда еще не было.
С тех пор с одной стороны идет работа по созданию физической системы, в которой бы работал квантовый бит. То есть «железа». А с другой стороны уже придумывают защиту от квантового взлома и расшифровки данных.
А что сейчас ? А вот так выглядит квантовый процессор под микроскопом на 9 кубит от фирмы Google.
Неужели они нас обогнали? 9 кубит или по «старому» 15 бит, это не так много пока еще. Плюс дороговизна, масса технических проблем и короткое время «жизни» квантов. Но вспомните что сначала были 8 битные, потом появились 16 битные процессоры… Так будет и с этими …
Квантовый компьютер в России — миф или реальность?
А мы что же? А мы то же не за печкой родились. Вот нарыл фото первого российского Кубита под микроскопом. Тут правда он один.
Тоже выглядит как некая «петля», в которой происходит нечто для нас пока не познанное. Отрадно думать, если наши при поддержке государства разрабатывают свое. Так что отечественные разработки это уже не миф. Вот оно, наше будущее. Каким оно будет, посмотрим.
Последние новости о квантовом компьютере России мощностью 51 кубит
Вот новости этого лета. Наши дядечки (честь им и хвала!) разработали самый мощный в мире (!) квантовый (!) компьютер 51 кубит(!)т. Самое интересное то, что до этого Google анонсировало свой компьютер на 49 кубит. И по их оценкам они должны были его закончить через месяц или около того. А наши решили показать уже готовый, свой квантовый процессор на 51 кубит.. Браво! Вот какая идет гонка. Нам хотя бы не отставать. Потому что ожидается большой прорыв в науке, когда эти системы заработают. Вот фото человека, который представлял нашу разработку на «квантовом» международном форуме.
Фамилия этого ученого — Михаил Лукин. Сегодня его имя в центре внимания. Невозможно создать такой проект в одиночку, мы это понимаем. Он и его команда создали на сегодня самый мощный в мире(!) квантовый компьютер или процессор. Вот что говорят по этому поводу компетентные лица:
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, — отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. — Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».
Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью — развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.
«Неправильно думать об этом, как о гонке, — справедливо считает Джон Мартинес. — Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно — создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита — это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».
Да, все это очень интересно. Если вспомнить аналогии, когда изобрели транзистор, никто не мог знать, что на этой технологии через 70 лет будут работать компьютеры. В одном только современном процессоре количество их достигает 700 миллионов..Первый компьютер весил много тонн и занимал большие площади. Но персональные компьютеры все равно появились — много позже…
Я думаю, что пока нам в ближайшее время не стоит ждать появления в наших магазинах устройств такого класса. Многие их ждут. Особенно добытчики криптовалют много спорят по этому поводу. С надеждой взирают на него ученые, и с пристальным вниманием — военные. Потенциал этой разработки как мы понимаем, до конца не ясен.
Ясно только, что когда это все заработает, оно потащит вперед за собой всю наукоемкую промышленность.Постепенно появятся новые технологии, новые отрасли, новый софт.. Время покажет. Только бы не подвел человеков свой собственный квантовый компьютер, данный нам при рождении — это наша голова. Так что, пока не спешите выкидывать на помойку свои гаджеты. Они долго Вам еще послужат. Пишите, если статья была интересной. Заходите чаще. До свидания!
fast-wolker.ru
Квантовый компьютер - правда или вымысел?
Последние десятилетия компьютеры развивались очень быстро. Фактически на памяти одного поколения они прошли путь от громоздких ламповых, занимающих огромные помещения до миниатюрных планшетов. Стремительно увеличивалась память и скорость. Но наступил момент, когда появились задачи, неподвластные даже сверхмощным современным компьютерам.
Что такое квантовый компьютер?
Появление новых задач, неподвластных обычным компьютерам, заставило искать новые возможности. И, как альтернатива обычным компьютерам, появился квантовый. Квантовый компьютер - это вычислительная техника, в основу действия, которой положены элементы квантовой механики. Основные положения квантовой механики были сформулированы в начале прошлого века. Ее появление позволило решить многие задачи физики, которые не находили решения в классической физике.
Хотя теория квантов уже насчитывает второе столетие, она по-прежнему остается понятной только узкому кругу специалистов. Но есть и реальные результаты квантовой механики, к которым мы уже привыкли – лазерная техника, томография. А в конце прошлого века была разработана теория квантовых вычислений советским физиком Ю. Маниным. Через пять лет Дэвид Дойч обнародовал идею квантовой машины.
Существует ли квантовый компьютер?
Но воплощение идей оказалось не столь простым. Периодически появляются сообщения о то, что создан очередной квантовый компьютер. Над разработкой такой вычислительной техники работают гиганты в области информационных технологий:
- D-Wave – компания из Канады, которая первой начала выпуск действующих квантовых компьютеров. Тем не менее идут споры специалистов, насколько реально являются квантовыми эти компьютеры и какие преимущества они дают.
- IBM – создала квантовый компьютер, причем открыла к нему доступ для пользователей интернета для экспериментов с квантовыми алгоритмами. К 2025 году компания планирует создать модель, способную решать уже практические задачи.
- Google – анонсировала выпуск в этом году компьютера, способного доказать превосходство квантовых на обычными компьютерами.
- В мае 2017 г. Китайские ученые в Шанхае заявили, что создан самый мощный квантовый компьютер в мире, превосходящий аналоги по частоте обработки сигналов в 24 раза.
- В июле 2017 г. На Московской конференции по квантовым технологиям было заявлено о том, что был создан 51-кубитный квантовый компьютер.
Чем отличается квантовый компьютер от обычного?
Принципиальное отличие квантового компьютера в подходе к процессу вычисления.
- В обычном процессоре все вычисления строятся на основе битов, бывающих в двух состояний 1 либо 0. То есть, вся работа сводится к анализу огромного количества данных на предмет соответствия заданным условиям. В основу квантового компьютера положены кубиты (квантовые биты). Их особенностью является возможность быть в состоянии 1, 0, а также одновременно 1 и 0.
- Возможности квантового компьютера значительно возрастают, так как нет необходимости искать нужный ответ среди множества. В этом случае ответ выбирается из уже имеющихся вариантов с определенной долей вероятности соответствия.
Для чего нужен квантовый компьютер?
Принцип квантового компьютера, выстроенный на выборе решения с достаточной долей вероятности и способность находить такое решение в разы быстрее, чем современные компьютеры, определяет и цели его использования. Прежде всего, появление такого вида вычислительной техники беспокоит криптографов. Это связано со способностями квантового компьютера с легкостью вычислять пароли. Так, самый мощный квантовый компьютер, созданный российско-американскими учеными, способен получить ключи к существующим системам шифрования.
Есть и более полезные прикладные задачи для квантовых компьютеров, они связаны с поведением элементарных частиц, генетикой, здравоохранением, финансовыми рынками, защитой сетей от вирусов, искусственным интеллектом и множеством других, решить которые пока не могут обычные компьютеры.
Как устроен квантовый компьютер?
Устройство квантового компьютера базируется на применении кубитов. В качестве физического исполнения кубитов в настоящее время используются:
- кольца из сверхпроводников с перемычками, с разнонаправленным током;
- отдельные атомы, под воздействием лазерных лучей;
- ионы;
- фотоны;
- разрабатываются варианты использования нанокристалов полупроводников.
Квантовый компьютер - принцип работы
Если с классическим компьютером в работе есть определенность, то на вопрос, как работает квантовый компьютер, ответить непросто. Описание работы квантового компьютера основывается на двух малопонятных для большинства словосочетаниях:
- принцип суперпозиции – речь о кубитах, способных находиться одновременно в позиции 1 и 0. Это позволяет вести одновременно несколько вычислений, а не перебирать варианты, что дает большой выигрыш во времени;
- квантовая запутанность – феномен, отмеченный еще А. Эйнштейном, заключающийся во взаимосвязи двух частиц. Говоря простыми словами, если одна из частиц имеет положительную спиральность, то вторая моментально принимает положительную. Такая взаимосвязь происходит вне зависимости от расстояния.
Кто изобрел квантовый компьютер?
Основа квантовой механики была изложена еще в самом начале прошлого века, как гипотеза. Развитие ее связано с такими гениальными физиками, как Макс Планк, А. Эйнштейн, Поль Дирак. В 1980 г. Ю.Антонов предложил идею о возможности квантовых вычислений. А уже через год Ричард Фейнеман в теории смоделировал первый квантовый компьютер.
Сейчас создание квантовых компьютеров в стадии разработок и даже трудно предположить, на что способен квантовый компьютер. Но абсолютно ясно, освоение этого направления принесет людям много новых открытий во всех областях науки, позволит заглянуть в микро и макромир, узнать больше о природе разума, генетики.
Статьи по теме:| Что такое интерфейс и каким он бывает? Что такое интерфейс - многие думают, что это просто картинка, но в действительности понятие возникло еще со времен первых вычислительных машин. Сегодня термин имеет несколько значений, и у каждого – своя смысловая структура и функциональные составляющие. | Что такое прокси, зачем он нужен и как им пользоваться? Не всем известно, что такое прокси, хотя мы сталкиваемся с его работой ежедневно. Под термином понимают промежуточное звено между клиентом и сервером, совокупность служб, которые перерабатывают запросы с личных ПК и направляют по адресу. |
| Лоукостер - что это такое и что нужно знать о лоукостерах? Информация о том, что такое лоукостер и как правильно им пользоваться, будет полезной для людей, которые любят путешествовать и не хотят при этом тратить много денег. Есть несколько хитростей, важных при планировании поездки. | Root-права на Андроид - в чем их преимущество и как их получить? Многие пользователи сегодня слышали о таком термине, как root-права на Андроид. Это учетная запись администратора, которая предоставляет возможность перенастроить устройство по своему желанию, минуя все запреты. |
WomanAdvice.ru
Квантовый компьютер - ITC.ua
13 февраля 2007 г. произошло поистине эпохальное событие – демонстрация квантового компьютера. И это случилось лет на 20 раньше, чем предсказывали ученые. Квантовый компьютер Orion – это первая практическая реализация технологии, позволяющей осуществлять одновременно до 65 536 вычислительных потоков. Его создатель – компания D-Wave – целиком посвятил свою деятельность этой проблеме, уставный капитал предприятия составил 20 млн долл., а конечной целью является разработка доступного и эффективного устройства. Квантовые компьютеры стали реальностью, человечество получило в свои руки инструмент практически с неограниченной вычислительной мощностью, а также огромную проблему по обеспечению безопасности, поскольку перед подобными возможностями не устоят никакие криптографические алгоритмы.
Кажется, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров компьютеров до тех пор, пока они не достигнут размеров атомов, тогда квантовое поведение
будет уже оказывать доминирующее влияние.
Ричард ФейнманТакой вычислитель через считаные годы лишит сна военных, банкиров и вообще всех, чье благополучие или безопасность критически зависят от надежности защиты информации. Самые устойчивые из известных сегодня шифров основываются на разбиении достаточно большого числа на простые множители (один из вариантов – так называемая задача факторизации). К примеру, взлом системы RSA-129 (разложение на множители 129-разрядного числа) потребовал в 1994 г. восьмимесячной работы 1600 мощных компьютеров, расположенных по всему миру и объединенных посредством Интернета. Разгадывание шифра с ключом на основе разбиения на простые множители трехсотразрядного числа на классическом компьютере потребует уже 13 млрд лет (сегодняшний возраст Вселенной) непрерывной работы, а квантовый компьютер может справиться с такой задачей за несколько недель.
Огромные вычислительные способности квантовых компьютеров перевернут ситуацию не только в криптографии. По мнению одного из ведущих специалистов в области квантовых вычислений Джона Прескилла из Калифорнийского технологического института, «то, что задача факторизации считается сегодня особенно важной, – историческая случайность». Поистине уникальные возможности открываются для быстрого поиска в базах данных, моделирования физических процессов на микроуровне, а радикально настроенные технократы, например профессор из Оксфорда сэр Роджер Пенроуз, всерьез говорят о решающем вкладе квантового компьютера в создание искусственного интеллекта. Есть о чем задуматься и китам «новой экономики», вкладывающим сегодня миллиарды в традиционные ПК в расчете на растущий завтрашний спрос: первый освоивший квантовые информационные технологии поставит конкурентов на колени, а доквантовая компьютерная революция и недавние рекорды NASDAQ будут казаться не более чем забавными историческими деталями.
| Рис. 1. Схематическая структура квантового компьютера |
Однако даже скромный квантовый компьютер позволит уже решить задачи, представляющие большой научный интерес. Например, имея всего несколько кубитов (кубит – квантовый бит – quantum bit – qubit ), он будет крайне полезен при проведении так называемых измерений Белла, которые могут быть использованы при реализации квантовой телепортации. Вполне вероятно, что 10 кубитов хватит, чтобы на квантовом компьютере реализовать квантовое кодирование Шумахера, весьма важное для эффективной квантовой криптографии. И не исключено, что 100 бит хватит для того, чтобы квантовый компьютер смог стать эффективным инструментом шумовой (возможно, частично декогерентной) квантовой криптографической связи. По всей видимости, в качестве приложений можно будет создавать пары Эйнштейна–Подольского–Розена, удаленные на большие расстояния, что позволит осуществить новые строгие эксперименты по проверке справедливости квантовой теории. Сейчас и в физике, и в теории вычислений ведутся активные поиски новых путей использования квантовых компьютеров.
Эти устройства, с которыми исследователи экспериментировали в течение многих лет, радикально отличаются от сегодняшних электронно-вычислительных машин.
В начале 80-х годов прошлого века нобелевский лауреат Ричард Фейнман (Richard P. Feynman) из Калифорнийского технологического института, известный как автор «Фейнмановских лекций по физике», увлек научную общественность идеей точного моделирования явлений квантовой физики на компьютере принципиально нового типа – квантовом.
Идеи Фейнмана сыграли свою важную роль. Действительно, моделировать состояние микрочастиц, которое описывается многомерной волновой функцией с числом переменных, равным числу частиц в системе, да еще и зависящей от времени, даже на самом современнейшем и мощнейшем компьютере, по-видимому, довольно проблематично. Поэтому, как считал Фейнман, было бы естественно моделировать физическую реальность, которая подчиняется квантовым законам, с помощью «компьютера, построенного из квантовомеханических элементов, подчиняющихся законам квантовой механики».
| Рис. 2. 7-кубитовая молекула, созданная в фирме IBM |
Кроме Фейнмана, идеи квантовых вычислений пропагандировали такие физики-теоретики, как Поль Бениофф (Paul Benioff) из Аргонской национальной лаборатории в Иллинойсе; Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета в Англии и Чарльз Беннетт (Charles Bennett) из исследовательского центра IBM имени Т. Дж. Ватсона (T. J. Watson) в Йорктаун-Хайтсе (штат Нью-Йорк). Не стоит забывать также и о российском математике Ю. И. Манине, чей первый труд по квантовому компьютингу появился еще в 1980 г. Он высказал предположение, что «квантовый шум», в ходе миниатюризации микросхем неизбежно превращающийся в препятствие для их нормальной работы, можно попытаться использовать для конструирования компьютеров нового типа, считающих по новым, «квантовым» алгоритмам.
| Рис. 3. Ионная ловушка как квантовый процессор. В линейной структуре благодаря взаимному отталкиванию ионы находятся на расстоянии ~20 мкм. Каждый ион адресуется парой лазерных лучей и представляет собой кубит |
Однако в те годы идея квантового компьютера казалась настолько фантомной, что о реализации ее на практике писали разве что фантасты. Только после 1994 г., когда Питер Шор (Peter Shor) из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для факторизации больших чисел (разбиения их на простые множители), который оказался гораздо эффективнее существующих до этого алгоритмов, предназначенных для традиционных ПК, наступил перелом в сознании скептиков. Но больше всех всполошились специалисты по вопросам компьютерной безопасности – взломать защиту многих криптосистем, имея квантовый компьютер, как оказалось, не составляет особого труда. Таким образом, Питер Шор, а затем и Лов Гровер (Lov Grover) из научного центра Bell Labs со своим алгоритмом быстрого поиска в неупорядоченной базе данных инициировали лавину новых исследований в области квантовых вычислений во всем мире. Среди ведущих мировых ученых, активно воплощающих идеи квантового компьютинга в жизнь, следует отметить прежде всего доктора Айзека Чуанга (Isaac Chuang) из центра IBM Алмейден (IBM’s Almaden Research Center, Сан-Хосе, Калифорния). Возглавляемые им команды специалистов создали в 1998 г. в Калифорнийском университете Беркли первый в мире двухкубитовый квантовый компьютер, в следующем году – трехкубитовый образец, который с использованием алгоритма Гровера совершал поиск в базе данных, а позднее был продемонстрирован метод упорядочения на квантовом компьютере с разрядностью 7 кубит. Ученые в центре IBM Алмейден выполнили одно из наиболее сложных квантовокомпьютерных вычислений. Они создали 7-кубитовый квантовый компьютер из миллиарда миллиардов изготовленных по заказу молекул, который с помощью алгоритма Шора решил простую версию математической проблемы, лежащую в основе многих из сегодняшних криптографических систем защиты данных.
Принцип работы такого компьютера связан с таинственными и пока непостижимыми для большинства людей квантовыми свойствами атомов и элементарных частиц. Квантовый компьютер, в частности, может быть основан на свойствах спинов электронов и атомных ядер. Когда спин частицы расположен вдоль выделенного направления, атом может быть «считан» как 1, а обратное направление вниз будет соответствовать 0. Это аналогично традиционному транзистору, для которого ноль и единица соответствуют открытому и закрытому состояниям. Но что делает рассматриваемый компьютер уникальным, так это тот факт, что квантовые частицы, даже будучи очень хорошо изолированными друг от друга, могут находиться в когерентном (запутанном – entangled state) состоянии, в котором частицы все-таки зависят друг от друга. В обычном ПК изменение состояния отдельного бита никак не связано с изменением состояния всех остальных битов, разве что только одного. В квантовом компьютере управление состоянием одной частицы вызывает изменение состояния всех других. Это и приводит к квантовому параллелизму вычислений. Благодаря данному эффекту такой компьютер может иметь феноменальную производительность. Для определенных типов вычислений, подобных сложным алгоритмам для криптографии или поискам в гигантских массивах данных, квантовый компьютер может использовать «в тандеме» сотни атомов. На классической машине это бы соответствовало выполнению миллиардов операций одновременно.
| Рис. 4. Схематическое изображение двух ячеек Кейна в кремниевой матрице с ядерными спинами-кубитами донорных атомов фосфора. При температурах менее 1K ядерные спины имеют очень большое время (часы и дни) сохранения исходных состояний квантового регистра |
Схематическая структура квантового компьютера показана на рис. 1. Основным элементом квантового компьютера являются квантовые биты, или кубиты. Обычный бит – это классическая система, у которой есть только два состояния. Можно сказать, что пространство состояний бита – это множество из двух элементов, например из нуля и единицы. Кубит же – это квантовая система с двумя возможными состояниями (например, спин электрона может быть равен либо 1/2, либо -1/2). Но, поскольку система квантовая, ее пространство состояний будет несравненно богаче. Несколько вариантов реализации кубитов показаны на рис. 2–4.
В квантовой механике есть несколько основных положений, среди которых для квантовых вычислений наиболее важен принцип суперпозиции. Применяя этот принцип, например к электрону, получаем, что возможно его смешанное состояние, когда оба состояния со спином, направленным вверх или вниз, присутствуют с некоторой вероятностью. Существенное значение в процессе выполнения квантовых вычислительных операций, кроме того, имеют состояния, представляющие собой когерентную интерференцию между множеством суперпозиций. Данная особенность квантовых вычислений называется квантовым параллелизмом. Этим они принципиально отличаются от операций над классическими булевыми состояниями. Квантовый параллелизм – главное преимущество квантовых вычислений по сравнению с цифровыми классическими. Например, в случае системы из двух кубитов мы как бы оперируем одновременно со всеми возможными ее состояниями: 00, 01, 11, 10 – что соответствует четырем вычислительным потокам. 16 кубитов позволят реализовать уже 216 = 65 536 таких потоков!
Канадская компания D-Wave в середине февраля текущего года продемонстрировала первый квантовый компьютер Orion в Компьютерном музее в Калифорнии (Computer History Museum in Mountain View). Представитель компании сказал, что D-Wave планирует начать продажу квантовых вычислительных мощностей корпоративным заказчикам в I квартале 2008 г.
| Рис. 5. Элементы квантового компьютера Orion компании D-Wave: а – квантовый процессор в сборе; б – электронные модули для связи с квантовым чипом; в – кремниевый квантовый чип с 16 кубитами |
Компьютер D-Wave’s построен на кремниевом чипе (рис. 5, а), который содержит 16 кубитов (эквивалентных битам в обычном компьютере), соединенных друг с другом. Каждый кубит состоит из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности.
Электрический ток, протекающий по катушке, генерирует магнитное поле, а оно, в свою очередь, вызывает изменение состояния кубита. Поскольку известно, как ниобий реагирует на магнитные поля, и параметры магнитных полей можно легко измерить, то их изменения, вызванные ниобием, могут быть переведены в результат, который и является решением задачи.
«Кубиты ведут себя согласно некоторому своду правил, – сказал один из основателей компании Джорди Роуз (Geordie Rose). – Квантовые вычисления – это перевод квантовых законов в формат, который мы можем понять».
В конечном счете, компьютер Orion – аналоговое устройство. Работа программ квантового компьютера – это процесс аналогового физического моделирования, а программы в цифровых вычислительных машинах по существу выполняют математические процедуры.
В силу присущих ему квантовых свойств компьютер фирмы D-Wave’s оптимизирован для реализации сложных, часто повторяющихся задач моделирования: например, необходимо выяснить, что произойдет при вариации переменных в сложной финансовой модели, или как различные белки взаимодействуют с различными синтетическими лекарствами, разрабатываемыми в фармацевтической промышленности. Система также может использоваться и в других областях, скажем, при анализе патентных баз данных для поиска пар одинаковых или перекрывающихся объектов интеллектуальной собственности.
«Мы рассматриваем эти машины как генераторы распределения вероятности, – сказал г-н Роуз, – и хотим создать физический аналог сложной математической задачи».
Сейчас Orion – доказательство работоспособности концепции квантового компьютера – демонстрация того, как будет выглядеть конечный продукт. На ней была показана программа для решения проблемы Sudoku (Судоку – головоломка, которая стала популярной в 1986 г. в Японии, а в 2005 г. – во всем мире. Ее часто называют «кубиком Рубика XXI в.». Относится к классу трудно решаемых задач).
Была также представлена система поиска молекул, подобных активному ингредиенту в препарате Prilosec (лекарство против изжоги и для восстановления кислотности фирмы AstraZeneca) в химической базе данных. Компьютер нашел несколько молекул, которые имели элементы, схожие с конструкцией Prilosec, но самой близкой молекулой оказался активный ингредиент в другом препарате под названием Nexium. Это продемонстрировало точность квантового вычислителя. Nexium – фактически зеркальное изображение молекулы в Prilosec, а фармацевтическая компания AstraZeneca «разработала» его для обеспечения патентной чистоты.
В другом примере квантовый компьютер решил известную задачу размещения гостей за столом, где каждый гость имел свои требования. (Клеопатра не может находиться рядом с теми, кто ест мясо. Чингисхан ест мясо и т. д.) Он рассчитал план размещения гостей с минимальным числом нарушений протокола.
Собственно компьютер, который функционирует при температуре 0,004К (–273,15 ˚С) и охлаждается жидким гелием, находился в Канаде. Посетители только видели результаты его работы на экране. Однако, по словам г-на Роуза, это была самая большая демонстрация квантового компьютера когда-либо.
Как сообщил генеральный директор компании Герб Мартин (Herb Martin), к концу года D-Wave будет иметь 32-кубитовую систему и планирует сдавать в аренду время на своих квантовых компьютерах корпоративным клиентам в I квартале следующего года.
«Заказчик не обязан изучать специальные методы программирования и другие тонкости работы системы, чтобы воспользоваться преимуществом квантового компьютера; достаточно отправить задание D-Wave, подобно заказу, как это принято в любой другой компании, – говорит г-н Мартин. – Позже D-Wave планирует сдавать в аренду или продавать компьютеры», – добавил он.
Во II квартале 2008 г. компания планирует создать 512-кубитовую систему, а к концу года и 1024-кубитовую.
«Квантовые компьютеры, – подчеркнул Герб Мартин, – не заменят цифровых вычислительных машин. Вместо этого они будут служить как сопроцессоры для решения больших проблем».
Но имеется ли рынок для аренды вычислительных ресурсов? Sun Microsystems несколько лет назад открыла сервер, который сдает как хранилище баз данных для химических и фармацевтических компаний. Его используют уже несколько заказчиков.
«Некоторые проблемы у D-Wave могут возникнуть потому, что квантовый компьютер будет способен решать намного более сложные проблемы, чем те, которыми занимаются компании в настоящее время», – сказал Стив Джарветсон (Steve Jurvetson), партнер компании Draper Fisher Jurvetson и инвестор D-Wave. Например, многие медицинские фирмы искусственно ограничивают возможности своих исследований, чтобы они соответствовали существующим вычислительным мощностям. D-Wave имеет 100 доступных зарегистрированных приложений и 35 грантов.
Важное преимущество состоит и в том, что компьютер будет иметь минимальный расход энергии. Ниобий – сверхпроводник и, таким образом, не излучает тепло. Квантовый чип непосредственно рассеивает мощность всего несколько нановатт.
Холодильная установка потребляет мощность 20 кВт, которая все еще мала по сравнению с большинством тяжелых серверов – хранилищ данных. «Рост числа кубитов на чипе не потребует значительного увеличений охлаждения», – добавил г-н Роуз.
Даже с объяснениями квантовые концепции могут быть слишком сложными для широкой публики. Попытки понять атомные взаимодействия ведутся до настоящего времени и лежат в основе квантовых вычислений.
itc.ua
Что такое квантовый компьютер
Вы все привыкли к нашим компьютерам: утром читаем новости со смартфона, днем работаем с ноутбуком, а вечером смотрим фильмы на планшете. Все эти девайсы объединяет одно — кремниевый процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Принцип работы таких транзисторов достаточно прост — в зависимости от подведенного напряжения мы получаем на выходе другое напряжение, которое интерпретируется или как логический 0, или как логическая 1. Для того, чтобы проводить операции деления, есть битовый сдвиг — если у нас, к примеру, было число 1101, то после сдвига на 1 бит влево будет 01101, а если теперь сдвинуть его на 1 бит вправо — будет 01110. И основная проблема кроется в том, что для все того же деления может понадобиться несколько десятков таких операций. Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много — мы теряем на эти вычисления время. Принцип работы квантовых компьютеров
Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения:Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных.
Понятнее явно не стало. Квантовая суперпозиция говорит нам о том, что система с какой-то долей вероятности существует во всех возможных для нее состояниях (при этом сумма всех вероятностей, разумеется, равна 100% или 1). Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах — если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999. 9999 в двоичной системе имеет вид 10011100001111, то есть для его записи нам нужно 14 бит. Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами — мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами? Не проблема, сделайте систему с таким же количеством кубитов, сколько у вас требований к веществу — и ответ уже будет у вас в кармане. Нужно создать ИИ (искусственный интеллект? Проще некуда: пока обычный ПК будет перебирать все комбинации, квантовый компьютер сработает молниеносно, выбрав лучший ответ.
Казалось бы, все здорово, но есть одна важная проблема — как нам узнать результат вычислений? С обычным ПК все просто — мы можем взять и считать его, напрямую подключившись к процессору: логические 0 и 1 там совершенно определенно интерпретируются как отсутствие и наличие заряда. Но вот с кубитами такое не пройдет — ведь в каждый момент времени он находится в произвольном состоянии. И тут нам на помощь приходит квантовая запутанность. Ее суть заключается в том, что можно получить пару частиц, которые связаны друг с другом (говоря научным языком — если, к примеру, проекция спина одной запутанной частицы отрицательна, то другой обязательно будет положительной). Как это выглядит на пальцах? Допустим, у нас есть две коробки, в которых лежит по бумажке. Мы разносим коробки на любое расстояние, открываем одну из них и видим, что бумажка в ней в горизонтальную полоску. Это автоматически означает, что другая бумажка будет в вертикальную полоску. Но вот проблема в том, что как только мы узнали состояние одной бумажки (или частицы), квантовая система рушится — неопределенность исчезает, кубиты превращаются в обычный биты. Поэтому вычисления на квантовых компьютерах по сути одноразовы: мы создаем систему, которая состоит из запутанных частиц (где находятся их вторые «половинки» мы знаем). Мы проводим вычисления, и после этого «открываем коробку с бумажкой» — узнаем состояние запутанных частиц, а значит и состояние частиц в квантовом компьютере, а значит и результат вычислений. Так что для новых вычислений нужно снова создавать кубиты — просто «закрыть коробку с бумажкой» не получится — мы ведь уже знаем, что нарисовано на бумажке. Возникает вопрос — раз квантовый компьютер может моментально подбирать любые пароли — как защитить информацию? Неужели с приходом таких устройств исчезнет конфиденциальность? Конечно же нет. На помощь приходит так называемое квантовое шифрование: оно основано на том, что при попытке «прочесть» квантовое состояние оно разрушается, что делает любой взлом невозможным. Домашний квантовый компьютер
Ну и последний вопрос — раз квантовые компьютеры такие классные, мощные и не взламываемые — почему мы ими не пользуемся? Проблема банальна — невозможность реализовать квантовую систему в обычных домашних условиях. Для того, чтобы кубит мог существовать в состоянии суперпозиции бесконечно долго, нужны крайне специфические условия: это полный вакуум (отсутствие других частиц), температура, максимально близкая к нулю по Кельвину (для сверхпроводимости), и полное отсутствие электромагнитного излучения (для отсутствия влияния на квантовую систему). Согласитесь, создать такие условия дома мягко говоря трудновато, а ведь малейшее отклонение приведет к тому, что состояние суперпозиции исчезнет, и результаты вычислений будут неверными. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. В итоге самый максимум на данный день — это квантовые компьютеры с парой десятков кубитов. Однако, есть квантовые компьютеры от D-Wave, которые имеют 1000 кубитов, но, вообще говоря, настоящими квантовыми компьютерами они не являются, ибо не используют принципы квантовой запутанности, поэтому они не могут работать по классическим квантовым алгоритмам: 
www.iguides.ru
Квантовые компьютеры
Успехи Google и Intel в области создания квантовых компьютеров говорят о том, что они находятся в пределах нашей досягаемости и могут стать доступны широкой аудитории уже через пять лет.
Что такое квантовый компьютер?
В основе квантовых вычислений лежит квантовый бит, или кубит, основная единица информации, аналог 0 и 1 в транзисторах вашего компьютера. Кубиты имеют гораздо больше возможностей, чем классические биты, из-за двух уникальных свойств: они могут представлять одновременно и 1, и 0, могут влиять на другие кубиты через явление, известное как квантовая запутанность. Это позволяет квантовым компьютерам сократить путь к правильным ответам в определенных типах вычислений.
Квантовые компьютеры будут задействованы в факторизации больших чисел. С помощью них можно будет легко взломать многие современные методы шифрования и, возможно, создать по-настоящему невзламываемые. КК будут способны решать сложные задачи оптимизации и выполнения алгоритмов машинного обучения. Мы получим приложения с такими вычислительными и скоростными возможностями, которые еще никто не представлял на рынке компьютеров.
В чем прорыв?
Изготовление стабильных кубит – базовой единицы квантовых компьютеров, из-за которой он до сих пор не выпущен на рынок
Почему это важно?
Квантовые компьютеры могут работать экспоненциально быстрее программы искусственного интеллекта и решать задачи комплексного моделирования и планирования. Они могут даже создать невзламываемые системы шифрования.
Современные разработки
Одна из лабораторий в голландском научно-исследовательском институте QuTech отвечает за несколько самых передовых в мире квантовых компьютеров. По внешнему виду такие разработки очень похожи на испытание вентиляции или объектов кондиционирования. Эта лаборатория спрятана в специально отведенном для испытаний помещении, в Дельфтском технологическом университете. Вход сюда строго воспрещен. Повсюду стоит гул резонансных волн. Создается ощущение, будто шумит целый рой электрических кузнечиков. Помещение заставлено связками изолированных труб, кабелей, а аппаратное управление помещается в большом синем цилиндре, стоящем на трех-четырех опорах.
Внутри синего цилиндра расположены надувные холодильники – в них происходят процессы на уровне микрочастиц, где нанопроволока, полупроводники и сверхпроводники встречаются на отметке чуть выше абсолютного нуля. Именно здесь, в пределах законов физики, твердые материалы порождают так называемые квазичастицы, чье необычное поведение дает им возможность служить в качестве ключевых компонентов квантовых компьютеров.
В этой лаборатории, в частности, были достигнуты успехи, которые сделали окончание проекта над квантовым компьютером реальностью. По прогнозу ученых из MIT, через несколько лет квантовые компьютеры смогут переписать историю шифрования, материаловедения, фармацевтических исследований и искусственного интеллекта.
Нестабильные кубиты
Каждый год квантовый компьютер становится кандидатом на главный технологический прорыв, но каждый год мир приходит к одному и тому же выводу: еще не время. Действительно, в течение многих лет кубиты и квантовые компьютеры существовали, в основном, на бумаге, или в условиях непредсказуемых экспериментов, в ходе которых под сомнением оставалась даже их целесообразность. Однако канадская компания D-Wave Systems продает машины, которые называет «квантовыми компьютерами». В ней она задействует технологию квантовой нормализации. Этот подход, как заметили скептики, в лучшем случае, применим для очень ограниченного набора вычислений и не может предложить никаких преимуществ в скорости, по сравнению с классическими компьютерами.
В этом году строится сразу несколько экспериментальных машин. Корпорации Google, IBM, Intel и Microsoft готовы поддерживать проекты для исследования и разработки технологий, необходимых, чтобы построить «реальный» рабочий квантовый компьютер. Гиганты заинтересованы прежде всего в разработке в области микроэлектроники, сложных схем и программного управления.
Проект в Дельфтском университете возглавляет Лео Кувенховен, профессор, нанятый корпорацией Microsoft. Его главная цель – преодолеть одно из самых давних препятствий на пути построения квантовых компьютеров. Сложность заключается в том, что кубиты крайне чувствительны к колебаниям электрического поля и, следовательно, дают высокую вероятность сбоя. Кубиты станут полезными для нового изобретения, если им удастся добиться сразу двух квантовых суперпозиций (т.е. находиться в двух физических состояниях одновременно) в условиях запутанности.
Температура в этом синем холодильнике опускается до отметки чуть выше абсолютного нуля, что делает возможными квантовые эксперименты глубоко внутри него.
Люди уже давно прикладывают большие усилия для создания квантовых компьютеров, возможности которых превысят потенциал самых современных ПК. Но теперь Кувенховен и его коллеги пытаются создать изначально защищенные кубиты – стабильные к внешнему воздействию, к примеру как узлы на веревке.
«Несмотря на эффект, деформирующий веревку, мы будем ее подтягивать, – говорит Кувенховен, – узлы кубит останутся неизменными, и вы не потеряете информацию».
Такая стабильность позволит исследователям расширить масштабы квантовых компьютеров, что существенно сократит вычислительные мощности, необходимые для исправления ошибок.
Работа Кувенховена основывается на управлении уникальными квазичастицами, которые до 2012 года даже не были обнаружены.
Прогнозы
Скоро мы будем знать больше о том, что могут квантовые компьютеры. Ранее исследователи построили полностью программируемый пятикубитовый квантовый компьютер и более хрупкие – 10-20-кубитовые тестовые версии. Глава рабочей группы квантовых вычислений компании Google, Хармут Невен заявил, что его команда преследует цель –через год построить 49-кубитовую систему.
Машина около 50 кубит выбрана в качестве цели не случайно – это барьер квантового превосходства, за которым уже неклассический суперкомпьютер будет способен обрабатывать данные экспоненциальных объемов. Это будет похоже на коммуникацию иного уровня, которая позволит такому компьютеру перейти в разряд квантовых. Именно рост памяти на компьютере является его пропускным билетом на пути к квантовому суперкомпьютеру. Другими словами, топы суперкомпьютерных систем смогут делать все то же самое, что пять 20-ти кубитовых квантовых компьютеров, но в пределах 50 кубит. Физически это кажется невозможным. Так и есть. Но не в условиях квантового скачка.
Все академические и корпоративные исследователи квантовых компьютеров сошлись во мнении, что где-то между 30 и 100 кубитами квантовые компьютеры способны стабильно выполнять широкий спектр вычислений. Именно на этой ступени их развития они начинают приобретать высокую коммерческую ценность. Чтобы такие системы появились в продаже, потребуется от двух до пяти лет.
В итоге мы сможем ожидать систему в 100 тысяч кубит, которая позволит совершить прорыв в материаловедении, химии и фармацевтической отрасли, создать точную молекулярную модель в масштабе один к одному, которая ляжет в основу новых материалов и лекарств.
Кроме этого расшифровка всех существующих кодов окажется не за горами и проблема не в том, что для защиты от этого будет использоваться квантовая криптография, а то, что сейчас закодированная информация передается с открытым ключем, но даже такая гибридная криптосистема ничего не может противопоставить квантовому дешифровщику, поэтому сейчас на серверах спецслужб и прочих заинтересованных лиц копятся гигабайты зашифрованной информации, ждущей создания квантового компьютера и тогда многие секреты уже не будут таковыми.
А что насчет системы в миллион кубит? Ее вычислительные возможности сейчас трудно даже представить. «Она будет. Через 10 лет», – дает свой прогноз Хармут Невен из Google. опубликовано econet.ru
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet
econet.ru
