Что такое квантовый компьютер?

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики для передачи и обработки данных.

А какая разница — квантовый компьютер или обычный? Дело в том, что первые имеют фундаментальные отличия, из-за которых их нельзя назвать компьютерами в классическом понимании. Сейчас объясним…

Биты и кубиты

В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «бит» — элемент, который может принимать значения 0 или 1. Физически это происходит примерно так:

1. В компьютере есть деталь под названием транзистор. Представим, что это кран на трубе, при включении которого польётся вода, при выключении — остановится.
2. Вода в транзисторе — это электричество, и включение-выключение крана тоже зависит от электричества. Представьте, что краны соединены между собой так, что вода из одного крана включает или выключает другой кран, — и так каскадом по цепочке.
3. Транзисторы соединены хитрым образом. Когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления.
4. Из-за того, что транзисторов очень много, а работают они со скоростью близкой к скорости света, транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления.
5. Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений. Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света.

Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен». С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна — это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено.

А в квантовом компьютере вместо битов — кубиты. Кубиты — это квантовые частицы, у которых есть интересная особенность: кроме стандартных 0 и 1 кубит может находиться между нулём и единицей — это называют суперпозицией.

То есть в процессе вычислений он принимает значение 0 и 1 одновременно — это происходит из-за фундаментальных свойств квантовой механики. Если у нас есть 2 кубита, то мы можем создать запутанность (второе фундаментальное свойство квантовой механики) между ними, и тогда нам удастся создать суперпозицию из 4-ех состояний, с тремя кубитами из 8-ми, с четырьмя из 16-ти, и число возможных состояний растет экспоненциально!

Чтобы понять потенциал такого подхода к вычислениям, предлагаем вам рассмотреть простую задачку — пройти лабиринт.

Единственный способ решения данной задачи на обычном компьютере —перебор всех возможных вариантов. Но квантовый компьютер проверяет все варианты одновременно и дает правильное решение намного быстрее.

Казалось бы, ведь можно запастись терпением и подождать момента, когда классический компьютер решит задачу, для чего строить огромную и никому непонятную квантовую машину? Вот только человечество постоянно сталкивается с задачами, решение которых может занять тысячи, миллионы, миллиарды лет вычислений на самых мощных компьютерах мира. Время — непозволительная роскошь для человека, нам нужны решения этих задач уже сегодня. Посему попробуем разобраться, чем может нам помочь квантовый компьютер?

Какие задачи может решить квантовый компьютер?

Задачи, где возникает преобразование Фурье

Это, в основном, задачи криптографии и шифрования: алгоритм Шора позволит взломать RSA и Биткоин. А почему? Квантовое преобразование Фурье невероятно быстрое и, если найти ему правильное применение, то оно даёт экспоненциальное ускорение.

Задачи оптимизации

Сюда входят все комбинаторные проблемы, которые решаются лишь перебором всех возможных вариантов, например, лабиринт, который был рассмотрен вами выше. Другой нашумевший квантовый алгоритм, алгоритм Гровера, позволяет решать такие задачи быстрее обычного перебора, однако, не дает такого сильного ускорения как алгоритм Шора. Комбинаторные задачи постоянно возникают в сфере логистики, оптимизации и экономики.

Квантовое машинное обучение

Третий квантовый алгоритм, дающий заметное ускорение — это алгоритм HHL. Он способен решать систему линейных уравнений экспоненциально быстрее любого классического алгоритма; как известно, линейные уравнения возникают повсюду, например, в задачах машинного обучения. Так что quantum-assisted machine learning — это одно из самых полезных применений квантовых компьютеров. Да и вообще использование квантовой физики в задачах искусственного интеллекта это классно: можно, к примеру, использовать квантовые выборки, которые находятся в состоянии суперпозиции нескольких классических выборок.

Симуляции квантовой системы

Данный подход предложил Фейнман. Для того, чтобы спроектировать очень сложную квантовую систему, нам нужна другая сложная квантовая система. Поэтому полноценный квантовый компьютер поможет создать новые материалы, новые лекарства, высокотемпературные сверхпроводники. Это задачи, где надо хитрым образом организовать взаимодействие атомов. Но, чтобы понять, как именно это сделать классическим компьютерам, потребуется триллионы лет вычислений, в то время как большим квантовым — несколько часов.

В будущем квантовые и классические компьютеры будут существовать в гармонии друг с другом. Мы сможем запускать часть программы, сложную для вычислений, на полноценном квантовом компьютере удаленно, а всю остальную программу на обычном компьютере.

Кто занимается универсальными квантовыми вычислениями?

Все технологически успешные страны в данный момент активно занимаются развитием квантовых технологий. В эти исследования вкладывается огромное количество средств, создаются специальные программы поддержки квантовых технологий.

В квантовой гонке участвуют и частные компании. Все вместе Google, IBM, Intel и Microsoft вложили около 0,5 млрд долларов в развитие квантовых компьютеров за последнее время, создали крупные лаборатории и исследовательские центры. В этой гонке за прогрессом участвует и множество других компаний, стремящихся захватить индустрию.

Квантовые технологии еще интересны тем, что подразумевают под собой некий формат исследований, где фундаментальная наука очень тесно сопряжена с прикладными вопросами.

Каков же итог?

Квантовые компьютеры и квантовые вычисления — очень многообещающая, очень молодая и пока малоприменимая в промышленном плане область информационных технологий, которая требует для своего развития большое количество времени. На данный момент, чтобы добиться значительных успехов, нужен качественный прорыв в какой-либо области фундаментальной или прикладной науки, который даст толчок новым идеям и методам.

Редакция СМИ ЭМИТ следить за актуальными тенденциями в развитии IT-технологий, выражая благодарность журналу «Код». Определенно мы можем сказать лишь одно — перспективы у квантовых компьютеров огромны. Ну а мы пока: нарабатываем опыт в квантовом программировании, собираем и создаем квантовые алгоритмы, тестируем идеи и ждём прорыва!

Источник: m.vk.com

Комментарии: