Что такое квантовый компьютер и в чем состоит проблема его создания?

Ячейка памяти обычного компьютера хранит один бит информации: либо нолик (конденсатор разряжен), либо единичку (конденсатор заряжен). 64 такие ячейки позволяют закодировать одно из 18 квинтиллионов (2 в степени 64) различных целых чисел.

Представьте, что одно число из этих 18 квинтиллионов является решением какой-то важной и сложной задачи, например описывает лекарство от рака. Часто такие задачи не имеют аналитического решения и решаются только полным перебором всех возможных вариантов. Если обычный компьютер может проверить миллиард (10^9) вариантов в секунду, то полный перебор займет примерно 585 лет.

Ячейка памяти квантового компьютера, которая называется кубит, может ОДНОВРЕМЕННО находиться в обоих состояниях: с некоторой вероятностью нолик, с некоторой вероятностью единичка. Соответственно, 64 таких кубита могут ОДНОВРЕМЕННО кодировать каждое из 18 квинтиллионов чисел от 0 до 2^64-1.

Программа для такого квантового компьютера может ОДНОВРЕМЕННО проверить все 18 квинтиллионов вариантов. По большому счёту, квантовому компьютеру из 64 кубитов нет разницы, перебрать миллиард вариантов или 18 квинтиллионов. Благодаря законам квантовой физики он делает это за одно и то же время.

К сожалению, технологии пока не позволяют создать квантовый компьютер, пригодный для практического применения. Учёные пробуют различные носители квантовой информации, такие как поляризация фотонов, сверхпроводящие кольца, спиновые состояния электронов и т. п. Пока что квантовые компьютеры содержат по два-три кубита, и никто не знает, как масштабировать их дальше, и возможно ли это в принципе.

По тексту создается ощущение, что квантовый компьютер это такая убер-машина, которая сможет любую задачу решить моментально. Это не совсем так. Вернее даже -- совсем не так. Есть _некоторые_ задачи, которые квантовый компьютер сможет решать гораздо быстрее, чем классический. Еще более точно -- существует несколько (пока их буквально по пальцам рук можно пересчитать) квантовых алгоритмов, которые решают определенные задачи быстрее, чем самые лучшие известные сейчас классические алгоритмы. Но нет такого, что для любой задачи существует "быстрый" квантовый алгоритм.

Веб-разработчик, инженер по спец. "Автоматизированные Системы Обработки Информации и Управления"

Ну и к практически исчерпывающим вышеприведенным ответам добавлю, что разница в квантовых и классических вычислениях ещё и в том, что во втором случае, как уже было сказано, последовательно проверяется каждое возможное решение, пока не найдется верное и алгоритм не завершится, а при квантовых вычислениях решение находится мгновенно, однако с крайне низкой точностью, а затем последовательно эта точность повышается на каждом шаге вычислений, пока не достигнет необходимой. Это очень важное преимущество, так как в этом случае можно не тратить дорогое процессорное время, когда необходимая точность уже достигнута.

IT

Квантовый компьютер, как было уже сказано выше, это некий компьютер, который может использовать в качестве рабочих элементов так называемые Кубиты (Q-bit). Изначально считается что Кубит это некая частица, которая подчиняется законам квантовой механики, то есть, имеет волновую функцию (набор состояний, например ноль и единицу).

Как известно, при добавлении частиц в квантовую систему, количество степеней свободы растет экспоненциально. То есть, один кубит может иметь например 2 состояния, два кубита - четыре, а три кубита - восемь. При этом, система из трех кубитов может одновременно находиться в суперпозиции всех восьми состояний.

Теперь представьте, что вы ищете одно из данных состояний. Особенность квантового компьютера состоит в том, чтобы применяя некие операторы, вы могли менять состояние данной системы. Применение оператора на каждом шаге решения задачи меняет пропорции состояний в общей системе. То есть, вы одновременно тянете за восемь ниток, при этом до последнего шага не знаете какая нитка правильная. Вы можете измерить только один раз.

Шаг за шагом, вы вытягиваете нитку и в определенный момент (для каждого алгоритма есть наиболее вероятный момент, когда система примет состояние, близкое к решению задачи) вы можете "измерить" состояние. При этом, происходит коллапс волновой функции и вы видите ответ (на самом деле, ответ может быть неправильным, но алгоритм должен гарантировать как можно большую вероятность приведения системы в нужное состояние).

Наиболее популярные алгоритмы, например алгоритм Гровера по поиску в неструктурированной базе данных имеют интересные особенности. Так, скажем, Гровер достаточно давно показал, что в базе из N элементов ответ можно найти за SQRT(N) шагов. Например, у вас база 1024 элементов и вы за 32 шага можете найти ответ (без предварительной сортировки). Тем не менее, алгоритм Гровера подразумевает наличие так называемого оператора Оракула. Оператор - Оракул без выдачи ответа на каждом шаге может "тянуть" правильный ответ немного вверх. Смысл и реализация оператора Оракула может зависеть от физической реализации квантового компьютера.

Другой алгоритм, разложения на множители, также справляется с задачей феноменально быстро. При этом, если учесть, что современная криптография в качестве своего базиса имеет алгоритмы, построенные на нахождении множителей, то можно сказать что квантовый компьютер сделает бессмысленным современное шифрование.

Другая, очень обширная область применения квантовых компьютеров может лежать в супербыстрых эмуляторах физических систем, то есть решении разных уравнений квантовой динамики.

Создание квантового компьютера затруднено, потому как систему, состоящую из множества кубитов с физической точки зрения очень сложно создать. Нужно выбрать необходимые материалы, физический принцип, систему управления, которая реализует необходимые операторы, систему измерения. Множество проблем имеют причиной "температурные" шумы.

Источник: thequestion.ru

Комментарии: