Ограничение компьютеров заключается в их двоичной логике и решении задач методом грубой силы, что требует огромных ресурсов. Можно ли что-нибудь с этим сделать?
Как работает квантовый компьютер и какие проблемы существуют?
Обычные компьютеры работают на основе кремниевых чипов, структура и принцип работы квантовых компьютеров иной, они работают по законам квантовой механики. Это означает, что вычислительные процессы осуществляются не по классическим алгоритмам, а с помощью процессов с квантовым характером, таких как квантовая запутанность или квантовый параллелизм. Основой является кубическая, так называемая система, в которой число частиц соответствует импульсу, а энергетическое состояние, которое меняется, напоминает координату. Эта кубическая фаза сегодня активно изучается наукой. Известно, что она может одновременно содержать единицу и ноль, то есть находиться в двух состояниях одновременно. Благодаря этому свойству квантовый компьютер выполняет вычислительные задачи в тысячи раз быстрее, чем обычный компьютер.
В этой статье мы рассмотрим, как работает такое устройство и чем оно отличается от обычного компьютера. Вы узнаете, зачем нужны квантовые компьютеры, существуют ли они уже сегодня и какие проблемы связаны с таким решением.
Термин «квантовый компьютер» часто понимают неправильно, потому что он так часто используется. Вы представляете себе обычный компьютер, ноутбук, реже — суперкомпьютер. Но это не компьютер в обычном смысле этого слова.
Как работает
Он предназначен для обработки и передачи данных; это квантовая компьютерная система. В нем используются квантовые биты — кубиты, которые могут быть как нулем, так и единицей. Увеличивается количество кубитов — увеличивается количество обрабатываемых параметров, мы говорим о геометрическом увеличении.
Кбит также принимает любую комбинацию 0 и 1; если их несколько, остальные изменяются при изменении значения одного из них. Из-за сингулярности все решения вычисляются одновременно. Стандартный процессор характеризуется двоичными вычислениями, т.е. он вычисляет значения последовательно. Это очень много, поэтому и была изобретена многопоточность. По сути, речь идет о параллельном выполнении вычислений. Для этого префетчинг предвосхищает все возможные варианты ветвей и выполняет вычисления с ними заранее.
Если выразить принцип работы квантового компьютера простыми словами, то он как будто заранее знает все возможные ответы и в каждом случае ему остается только вычислить состояние и выбрать единственно правильный из многих. Этот выбор — самая важная часть задания.
Зачем нужен?
Простой человек спрашивает: зачем нужна такая сложная система, если можно подождать, пока все решит классический компьютер? Дело в том, что наука регулярно сталкивается с проблемами, для решения которых бинарной системе потребовались бы тысячи или миллионы лет. С помощью квантовых компьютеров мы можем получить такие решения уже сегодня.
Квантовый компьютер не является и не будет являться альтернативой обычному компьютеру, у него совершенно другие функции. Существует особый класс научных проблем, для решения которых классической системе потребовалось бы время от сотворения Вселенной до сегодняшнего дня, тогда как квантовая система может сделать это за час. Давайте рассмотрим некоторые из таких проблем.
С преобразованием Фурье
Это группа методов шифрования и криптографии, использующих алгоритм Shor. Он способен взломать Bitcoin и RSA. Это стало возможным благодаря невероятной скорости конвертации, которая при правильном использовании ускоряется экспоненциально.
Оптимизация
Все это комбинаторные задачи, в которых необходимо рассмотреть все возможные варианты. Есть один алгоритм, который вызвал сенсацию, когда он впервые появился, и это алгоритм Гровера. Он дает лучшее время решения, чем простой перебор, но не требует такого большого ускорения, как алгоритм Шора. Этот тип задач относится к оптимизации, логистике и экономике.
Машинное обучение
Алгоритм HHL обеспечивает значительное ускорение. Он используется для решения систем линейных уравнений и превосходит классические методы. Линейные уравнения используются повсеместно, часто в задачах машинного обучения. Одним из наиболее важных применений квантовых вычислений является искусственный интеллект. Можно даже решать задачи, распределенные по суперпозициям различных классических паттернов.
Симуляция квантовой системы
Самое естественное из всех применений. Его использование было предложено еще Фейнманом. Его идея заключалась в том, чтобы смоделировать очень сложную квантовую систему с помощью другой сложной системы, которая уже известна и поддается контролю.
Из всего этого следует, что квантовые системы могут привести к появлению новых инструментов, новых лекарств и доселе неизвестных высокотемпературных сверхпроводников. У всей этой работы есть одна общая черта: необходимость организации атомных взаимодействий. Обычному компьютеру потребовались бы триллионы лет для решения этой задачи, в то время как квантовый компьютер может сделать это за несколько часов.
Путем поиска и вычислений компьютер обрабатывает ваши запросы в Яндексе, пока не найдет нужный, и путем исключения приходит к тому, что вам нужно. Он отображает шрифты и изображения на экране в формате, который мы можем прочитать…. Надеюсь, пока ничего сложного? И изображение также состоит из нулей и единиц.
Что такое квантовый компьютер
Сегодня нет никаких сомнений в существовании квантового компьютера. Если еще недавно это было несбыточной мечтой ученых, то теперь это осязаемый объект, и мы можем увидеть, как выглядит практическое применение системы.
Проще говоря, квантовый компьютер — это вычислительная машина, использующая в своей работе законы квантовой механики. Машина выполняет определенные задачи более эффективно, чем простой компьютер, который хранит данные в битах.
КК использует квантовые алгоритмы, которые используют преимущества таких явлений, как суперпозиция и квантовая запутанность. Для расчетов используются кнопки (квантовые частицы), которые могут находиться в двух состояниях одновременно. Другими словами: Когда бит принимает одно из двух возможных значений — 0 или 1, QBit одновременно является и 0, и 1, поэтому QC может обрабатывать данные и выполнять математические задачи в тысячи раз быстрее, чем обычно. Ему не нужно перебирать комбинации, как это делает, например, суперкомпьютер; квантовая система вычисляет ответ молниеносно. Эти возможности открывают путь к решению проблем, которые в настоящее время невозможны или требуют много времени.
История компьютеров нового поколения началась в 1981 году, когда впервые было сообщено, что квантовые системы могут быть использованы для вычислений. Первый рабочий алгоритм для КК появился в 1994 году, а первая машина объемом 2 кубических дюйма была построена в Калифорнийском университете в Беркли в 1998 году. Экспериментальные прототипы разрабатывались на протяжении десятилетий группами ученых из разных стран, наиболее успешными в этой области были IBM и Google.
Гонка за ведущими компаниями продолжается. В июне 2020 года компания Honeywell объявила о разработке самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера. Компания утверждает, что устройство в два раза мощнее квантовых систем IBM и Google и решает за считанные минуты задачи, на которые у обычных компьютеров ушли бы тысячелетия. Разработка Honeywell впечатляет рекордом производительности в 64 квантовых объема. Ядром системы является стальная сфера размером с баскетбольный мяч, охлажденная д о-262,7 °C жидким гелием. Он содержит пойманные в ловушку ионы атомов, которые перестают двигаться при воздействии низких температур и управляются лазерными импульсами.
Для чего нужен квантовый компьютер
Быстрая обработка больших объемов данных с помощью новых технологий может помочь решить множество проблем и повлиять на широкий спектр областей. Например, КК может за несколько секунд решить задачу разрешения чисел, состоящих из большого количества цифр, на простые множители (сам процесс не сложный, но трудоемкий, что является основой современной криптографии), а также решить ряд подобных задач. Кроме того, технология хорошо подходит для моделирования сложных ситуаций, включая расчет физических свойств элементов на молекулярном уровне.
Основные приложения квантовых вычислений:
На данном этапе квантовые компьютеры сложны и нестабильны, поэтому мы можем разрабатывать только высокопроизводительные системы, заточенные под один алгоритм и предназначенные для очень узкого круга задач.
Чем отличается квантовый компьютер от обычного
За 30 лет, прошедших с момента появления концепции «квантовых вычислений», научные достижения позволили сделать эти типы вычислительных систем реальностью, даже если они недоступны обычному пользователю. Квантовые компьютеры опираются на уникальное поведение, которое в корне отличается от обычных, привычных машин, как это описывает квантовая механика.
Эти устройства способны за секунды решать математические задачи, на которые обычному компьютеру потребовались бы миллиарды лет. Квантовая машина Sycamore утверждает, что способна более чем за три минуты выполнить вычисления, на которые обычному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет — явление, которое шумно называют «квантовым превосходством».
Компьютер, с которым знаком каждый современный человек, а также смартфоны, планшеты и ноутбуки хранят информацию в битах, которые принимают значение 0 или 1, причем нули и единицы могут использоваться для представления любой информации, будь то текст или изображение. Фундаментальное отличие и преимущество квантового компьютера заключается в используемой функциональной единице, которая называется кубитом (или квантовым битом). Кубит может находиться в состоянии неопределенности, т.е. одновременно находиться в разных состояниях, аналогично коту Шредингера (эффект суперпозиции).
Квантовый компьютер во много раз быстрее и мощнее обычного компьютера, но он не подходит для решения большинства повседневных задач, поскольку работает по совершенно другому принципу.
Если выразить принцип работы квантового компьютера простыми словами, то он как будто заранее знает все возможные ответы и в каждом случае ему остается только вычислить состояние и выбрать единственно правильный из многих. Этот выбор — самая важная часть задания.
Что такое кубиты для квантовых компьютеров
Так, если бит — это одна из двух условных точек (1 или 0), то куб можно представить как сферу, полюса которой находятся в тех же точках — 1 и 0. Куб также может принимать значение 1 или 0. Но помимо этого, она может находиться в состоянии суперпозиции, то есть принимать любое из возможных значений на поверхности сферы. И все они одновременно.
Но что именно находится на поверхности сферы? Может ли быть так, что у кубита переменная (плавающая) величина? В каком-то смысле это правильно, но сложность заключается в том, что невозможно узнать это значение для данного момента времени, как в случае с обычными переменными. Если говорить как можно проще, то куб — это как волшебный шар. Если вы зададите этому шарику вопрос, ответ может быть один или ноль. Но это будет происходить с разной вероятностью. Вероятности выпавших значений — это те, которые «хранятся» в суперпозиции.
Рука об руку с принципом суперпозиции идет эффект квантовой запутанности. Две квантовые частицы, соединенные друг с другом, синхронно изменяют свое состояние, даже если между ними лежат миллионы световых лет. Решетка позволяет собирать кубиты в «наборы». Если набор из двух битов может хранить определенную последовательность из двух значений (нулей или единиц), то набор из двух кубитов содержит суперпозицию всех возможных вариантов последовательности этих двух значений. А это гораздо больший объем информации.
Как устроен квантовый компьютер: принцип работы
С тех пор как возникла концепция квантовых вычислений, десятки ученых по всему миру пытались создать их физическую реализацию. Самый важный вопрос: что может быть использовано в качестве кубита? В 1994 году европейские физики Питер Цоллер и Хуан Игнасио Сирак описали план использования специальной ионной ловушки в качестве основы для квантового компьютера. В этот момент стало ясно, что научная теория и практика встречаются лицом к лицу.
Физические «воплощения» кубитов — это не просто ионы. Ученые пытались и все еще пытаются использовать для этой цели электроны, атомные ядра, фотоны, сверхпроводящие материалы и даже искусственные наноалмазы. Недавно был разработан оптический квантовый микрочип, который теоретически может быть использован для создания оптического компьютера путем манипулирования квантовыми состояниями света. Две основные проблемы, которые пытаются решить конкурирующие исследовательские группы, — это время жизни кубитов и количество кубитов в системе.
Выход квантовой системы из состояния суперпозиции очень прост. Даже столкновение одного фотона с кубитом может привести к этому. По этой причине вопрос о том, можно ли назвать мозг квантовым компьютером, редко задавался учеными — трудно представить себе квантовые компьютеры в биологической среде. Кубики растворяются за доли секунды даже в особых условиях (вакуум, охлаждение при экстремально низких температурах). Присутствие других кубитов в непосредственной близости сокращает это время еще больше. Теперь представьте, что вам нужна действующая структура с десятками или даже сотнями таких своеобразных частиц. Это нелегкая задача, не так ли?
Еще одна тема — программирование квантовых компьютеров. В этом случае программист имеет дело с гибридным устройством. Квантовый компьютер состоит как из обычных, так и квантовых элементов, что позволяет вводить данные и интерпретировать результаты. Это объединяет квантовые и обычные коды в одной программе. Существует несколько языков программирования для квантовых систем (например, QCL, язык квантовых вычислений), но в настоящее время они служат скорее исследовательским целям, чем практическим. С их помощью исследователи смогут лучше понять, как работают квантовые компьютеры.
Модель гипотетического квантового компьютера от IBM (CeBIT 2018. Ганновер, Германия).
Применение квантовых компьютеров
Также в 1994 году американский ученый Питер Шор разработал первый (из многих) квантовый алгоритм для разложения целого числа на простые множители. Удивительно, но разложение большого числа (несколько сотен цифр) на два простых множителя является невероятно трудоемкой задачей даже для самых мощных современных компьютеров. На этом основано большинство современных систем шифрования и защиты данных. С другой стороны, Шор показал, что квантовый компьютер с 1000 и более кубитами может взломать любой код буквально за несколько секунд.
Хитрость заключается в том, что квантовый компьютер проверяет возможные варианты не по одному, как обычный процессор, а одновременно. Скорость обработки информации при этом значительно возрастает. Работа Шора показала только одно практическое применение квантового компьютера. Возможность взлома систем шифрования (в том числе военных) с помощью квантов немедленно направила значительные ресурсы в эту область разработок. Например, Китай планирует потратить более 11 миллиардов долларов на строительство нового квантового центра. ЕС и США не намного опережают Китай; частные компании, такие как Google и IBM, также инвестируют в квантовые разработки. Россия также участвует в разработке квантового компьютера.
Эти устройства способны за секунды решать математические задачи, на которые обычному компьютеру потребовались бы миллиарды лет. Квантовая машина Sycamore утверждает, что способна более чем за три минуты выполнить вычисления, на которые обычному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет — явление, которое шумно называют «квантовым превосходством».
Применение квантовых компьютеров
Специфика применения
Вы можете подумать, что квантовый компьютер — это своего рода аналоговый компьютер. Но это не так: по сути, это цифровое устройство, но с аналоговым характером.
Наиболее важными проблемами, связанными с созданием и использованием квантовых компьютеров, являются
- Должна быть гарантирована высокая степень точности измерений,
- Внешние воздействия могут разрушить или исказить квантовую систему.
Приложения к криптографии
Из-за огромной скорости распада при использовании простых множителей квантовый компьютер не способен расшифровать сообщения, зашифрованные с помощью популярного асимметричного криптоалгоритма RSA. До сих пор этот алгоритм считается относительно безопасным, поскольку эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Например, чтобы получить доступ к кредитной карте, число с сотнями цифр необходимо разложить на два простых фактора. Даже для самых быстрых современных компьютеров эта задача займет в сотни раз больше времени, чем возраст Вселенной. Благодаря алгоритму Шора, эта задача вполне выполнима, если будет построен квантовый компьютер.
Применение идей квантовой механики уже открыло новую эру в области криптографии, поскольку методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений 7. В настоящее время разрабатываются прототипы таких систем 8 .
Физические реализации квантовых компьютеров
Создание квантового компьютера как реального физического устройства является фундаментальной работой физики 21 века. До сих пор были созданы только ограниченные версии (до 10 кубитов). Вопрос о том, до какой степени можно масштабировать такое устройство, является предметом новой и интенсивно развивающейся области — многочастичной квантовой механики. Центральным в этом вопросе является все еще остающийся без ответа вопрос о природе распада (точнее, коллапса волновой функции). Различные статьи об этом процессе можно найти в 9 10 11 .
История
В начале 21 века многие научные лаборатории разработали одноквантовые квантовые процессоры (по сути, управляемые двухуровневые системы, которые могут быть расширены до многих кубитов). Очень скоро жидкий ЯМР квантовый компьютер (до 7 кубитов, IBM, И. Чанг) источник неопределенности 578 дней. В 2005 году группа Y. Пашкин (NEC, Япония) построил двухквантовый квантовый процессор на сверхпроводящих элементах неопределенного источника 578 дней. Примерно в это время в ловушках Павла было сделано до двенадцати локтей в ионах (Д. Винланд, П. Цоллер, Р. Блатт) Источник не определен 578 дней.
- В России разработкой физической реализации квантового компьютера занимается ряд исследовательских групп, ядром которых является школа академика К.А. Кузнецова. Валиев.
Ключевые технологии для квантовых вычислений:
- Твердотельные квантовые точки в полупроводниках: в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (наличие или отсутствие электрона в конкретной точке), либо направление электронного спина и/или ядерного спина в конкретной квантовой точке. Управление с помощью внешних потенциалов или лазерных импульсов. Элементы (джозефсоновские переходы, соломинки и т.д.). Наличие или отсутствие куперовской пары в данной пространственной области используется в качестве логических кубитов. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.
- Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). Основное/возбужденное состояние внешнего электрона иона используется в качестве логического квита. Управление: классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на отдельные ионы + колебательные режимы набора ионов.
- Смешанные техники: Использование подготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными ансамблями или для управления классическими компьютерными сетями.
- В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий США удалось собрать программируемый квантовый компьютер из двух кубитов 12 .
- В феврале 2012 года IBM сообщила о значительном прогрессе в физической реализации квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитов, что, по словам компании, позволит ей начать работу над квантовым компьютером 13.
- В апреле 2012 года группе исследователей из Университета Южной Калифорнии, Делфтского технологического университета, Университета штата Айова и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на легированном кристалле алмаза. Компьютер работает при комнатной температуре и теоретически масштабируется. В качестве двух логических кубитов использовались направления спинов электрона и ядра азота соответственно. Для защиты от эффекта декогеренции была разработана комплексная система для генерации импульса микроволнового излучения определенной длительности и формы. На этом компьютере алгоритм Гровера был применен в четырех испытаниях, так что правильный ответ находился в 95% случаев с первой попытки1415 .
Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках
Один кубит можно представить в виде электрона в двух ямном потенциале, так что — в правой. Это называется кубит на зарядовых состояниях. Общий вид квантового состояния такого электрона: ; она задается уравнением Шредингера вида \Psi=H\Psi» width=»» height=»» /> где гамильтониан &a\ &-a\\ &-a\ &a\end\right)» width=»» height=»» /> для некоторой константы >(|0\rangle+|1\rangle )» width=»» height=»» /> есть собственный вектор этого гамильтониана с собственным значением 0 (так называемое основное состояние), а >(|0\rangle-|1\rangle )» width=»» height=»» /> — То есть, ворота NOT просто задаются физической квантовой эволюцией нашего кубита, при условии, что внешний потенциал определяет двухбоксовую структуру; это достигается с помощью технологии квантовых точек.
Для реализации CNOT необходимо разместить два кубита (т.е. две пары ям) перпендикулярно друг другу и поместить в каждый из них отдельный электрон. Тогда константа для первой (управляемой) пары кубитов зависит от состояния электрона во второй (управляемой) паре кубитов: Если он находится ближе к первому кубиту, то он больше, если дальше, то меньше. Таким образом, состояние электрона во второй паре определяет время НЕ в первой яме, что, в свою очередь, позволяет нам выбрать правильный период времени для генерации функции CNOT.
Эта схема является очень приблизительной и идеализированной; реалистичные схемы более сложны, и их реализация является вызовом для экспериментальной физики.
Заявления D-Wave
В феврале 2007 года канадская компания D-Wave заявила, что построила прототип квантового компьютера, состоящего из 16 кубитов (устройство называлось Orion 16 17). Информация об этом устройстве не соответствовала требованиям, предъявляемым к достоверному научному отчету, поэтому новость не была принята с научной точки зрения. Дальнейшие планы компании по созданию в ближайшем будущем компьютера на 1024 кубита также были скептически встречены научным сообществом18 .
В ноябре 2007 года эта же компания, D-Wave, представила прототип компьютера (под названием Leda) размером 28 кубических дюймов в режиме онлайн на конференции по суперкомпьютерам19. Эта демонстрация также вызвала скептическое отношение.
В январе 2008 года компания привлекла 17 миллионов долларов от международных инвесторов для поддержки разработки продукции, операционной деятельности и развития бизнеса. 20
В декабре 2008 года компания запустила проект AQUA@home (A diabatic QU antum A lgorithms),21 в рамках которого тестируются алгоритмы для оптимизации вычислений на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах с D-волнами.
8 декабря 2009 года ученый компании Google Хартмут Невен представил программное обеспечение для распознавания образов на компьютере D-Wave на конференции NIPS. 22
Более подробную информацию о компании D-Wave Systems Inc, ее исследованиях и последних результатах можно найти в блоге соучредителя Джорди Роуза. 23
11 мая 2011 года был представлен компьютер D-Wave One, в основе которого лежит 128-кубитный процессор. 24
По состоянию на 20 мая 2011 года компания D-Wave Systems продает квантовый компьютер D-Wave One со 128-кубиковым чипсетом, который выполняет только одну задачу — дискретную оптимизацию — за 11 миллионов долларов. 25 Компьютер находится в кампусе Института компьютерных наук Университета Южной Калифорнии в Марина-дель-Рей. Рабочая температура составляет 20 мкС, а компьютер тщательно экранирован от внешних электрических и магнитных полей. 26 27
8 декабря 2009 года ученый компании Google Хартмут Невен представил программное обеспечение для распознавания образов на компьютере D-Wave на конференции NIPS. 22
Принципы работы квантового компьютера для чайников
Поскольку мы говорим о квантовой физике, давайте поговорим немного о квантовой физике. Я не собираюсь углубляться в эту тему, друзья. В конце концов, я «болван», а не квантовый физик. Около ста лет назад Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности. Все светлые умы того времени удивлялись тому, сколько парадоксальных и невероятных вещей она содержит. Поэтому все парадоксы Эйнштейна, описывающие законы нашего мира, — всего лишь невинный лепет пятилетнего ребенка по сравнению с тем, что происходит на уровне атомов и молекул.
Сами «квантовые физики» описывают явления, происходящие на уровне электронов и молекул, примерно так: «Это невероятно. Этого не может быть. Но это так. Не спрашивайте нас, как все это работает. Мы не знаем, как и почему. Мы просто наблюдаем. Но это работает. Это было доказано экспериментально. Вот формулы, зависимости и экспериментальные протоколы».
Так в чем же разница между обычным компьютером и квантовым компьютером? В конце концов, даже обычный компьютер работает на электричестве, а электричество — это множество очень маленьких частиц — электронов?
Наши компьютеры работают по принципу «да или нет». Если в линии течет ток, то это да или единица. Если в линии не течет ток, она равна нулю. Вариация значений «1» и «0» — это единица хранения информации, называемая «бит»….. Один байт равен 8 битам и так далее и тому подобное….
Теперь представьте себе ваш процессор с 800 миллионами таких «проводов», каждый из которых появляется и исчезает за секунду, как этот «ноль» или «единица». И вы можете мысленно представить, как он обрабатывает информацию. Вы читаете текст, но на самом деле это набор нулей и единиц.
Путем поиска и вычислений компьютер обрабатывает ваши запросы в Яндексе, пока не найдет нужный, и путем исключения приходит к тому, что вам нужно. Он отображает шрифты и изображения на экране в формате, который мы можем прочитать…. Надеюсь, пока ничего сложного? И изображение также состоит из нулей и единиц.
Теперь представьте себе на мгновение модель нашей Солнечной системы, друзья мои. Солнце находится в центре, Земля летает вокруг него. Мы знаем, что он всегда находится в определенной точке пространства в определенное время и что через секунду он будет в тридцати километрах от нас.
Таким образом, модель атома — это также планетарная модель, где атом также вращается вокруг ядра. Но я ПРЕДСКАЗЫВАЮ, друзья мои, от умников в очках, что атом, в отличие от Земли, находится везде сразу и всегда во всех местах….. везде и нигде одновременно. И они назвали это удивительное явление «суперпозицией». Для более близкого знакомства с другими явлениями квантовой физики я рекомендую научно-популярный фильм, который рассказывает о сложных вещах простым языком и в довольно оригинальной форме.
Давайте продолжим. И таким образом «наша» часть заменяется квантовой. Она также называется локтевой костью. Существует только два начальных состояния — ноль и единица. Но поскольку это «квантовый продукт», он ВСЕГДА может принимать все возможные промежуточные значения. И быть во всех из них одновременно. Теперь вам больше не нужно вычислять последовательно и долго искать в базе данных. Они известны сразу и заранее. Вычисления выполняются параллельно.
Квантовый компьютер в России — миф или реальность?
А как насчет нас? Мы не появились из ниоткуда. Вот фотография первого русского кубита под микроскопом. Есть только один.
Это также похоже на своего рода «петлю», в которой происходит что-то, о чем мы еще не знаем. Приятно думать, когда наши люди, поддерживаемые государством, развивают свою собственную жизнь. Так что внутренние разработки больше не являются мифом. Это наше будущее. Посмотрим, что будет дальше.
Последние новости о квантовом компьютере России мощностью 51 кубит
Вот новости этого лета. Наши учителя (респект им!) разработали самый мощный (!) квантовый компьютер в мире — 51 кубита (!). Самое интересное, что ранее Google уже анонсировала компьютер из 49 кубитов. И по их оценкам, они должны закончить его примерно через месяц. И наши ребята решили продемонстрировать уже готовый 51-квибитный квантовый процессор….. Браво! Это гонка, в которой мы участвуем. По крайней мере, мы должны идти в ногу со временем. Ведь когда эти системы будут готовы к использованию, ожидается крупный научный прорыв. Вот фотография человека, который представлял нашу разработку на Международном квантовом форуме.
Фамилия ученого — Михаил Лукин. Его имя сегодня в центре внимания. Мы знаем, что в одиночку создать такой проект невозможно. Он и его команда создали самый мощный(!) квантовый компьютер или процессор в мире на сегодняшний день. Вот что говорят по этому поводу ответственные лица:
Работающий квантовый компьютер гораздо страшнее ядерной бомбы», — говорит соучредитель Российского квантового центра Сергей Белоусов, создавший систему с наибольшим количеством кубитов. На всякий случай. На данный момент это, вероятно, более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо еще. И он намеренно сделал 51 кубит вместо 49. Потому что Google постоянно говорил, что собирается сделать 49″.
Однако Лукин и Джон Мартинес, глава квантовой лаборатории Google, не считают себя конкурентами или соперниками. Ученые убеждены, что их главный конкурент — природа, и что их главная цель — разработать технологию и с ее помощью вывести человечество на новый виток развития.
«Ошибочно думать, что это битва», — говорит Джон Мартинес, и совершенно справедливо: «Настоящая битва — с природой. Потому что построить квантовый компьютер очень сложно. И очень интересно, что кому-то удалось создать систему с таким количеством кубитов. На сегодняшний день нам удалось достичь максимума в 22 кубита. Даже несмотря на то, что мы использовали всю нашу магию и профессионализм».
Да, все это очень интересно. Подумайте об аналогии: когда был изобретен транзистор, никто не мог знать, что через 70 лет компьютеры будут использовать эту технологию. Только в современном процессоре их насчитывается до 700 миллионов….. Первый компьютер весил много тонн и занимал много места. Но персональные компьютеры появились гораздо позже…
Я не думаю, что в ближайшее время стоит ожидать появления устройств этой категории в наших магазинах. Многие люди ждут их. Майнеры криптовалют, в частности, с этим не согласны. Ученые с надеждой изучают их, а военные — с большим вниманием. Возможности такого развития событий не совсем ясны из нашего понимания.
Очевидно, что после введения его в действие он будет двигать вперед всю наукоемкую промышленность. Новые технологии, новые отрасли, новое программное обеспечение будут постепенно появляться…… Время покажет.
Только не разочаровывайте людей в их собственном квантовом компьютере, который дан нам от рождения — это наша голова. Так что пока не выбрасывайте свои устройства в мусор. Они будут служить вам долгое время. Напишите нам, если статья показалась вам интересной. Заглядывайте почаще. До свидания!
8 декабря 2009 года ученый компании Google Хартмут Невен представил программное обеспечение для распознавания образов на компьютере D-Wave на конференции NIPS. 22
Квантовые перспективы
Инвестиции в квантовые технологии очень впечатляют.
В Японии Квантовый стратегический альянс для революции (Q-STAR) возглавляют такие финансовые гиганты, как Toyota Motor, Hitachi и NTT. Страна планирует запустить свой первый квантовый компьютер к середине следующего года. Японцы прогнозируют, что к 2030 году квантовые технологии будут использовать 10 миллионов человек.
В США Alphabet, материнская компания Google, инвестирует миллиарды долларов в квантовые вычисления с целью создания коммерческого квантового компьютера, способного выполнять крупномасштабные вычисления, к 2029 году. IBM, Intel, Microsoft и другие компании также инвестируют в квантовые вычисления. Исследовательские группы, занимающиеся разработкой и изучением квантовых компьютеров, существуют почти в каждом крупном американском институте.
По оценкам Росатома, российские технологии в этой области отстают от международных разработок примерно на 7-10 лет. На форуме «Открытые инновации» Максим Паршин, заместитель главы Министерства науки и технологий России, пообещал немедленно ликвидировать этот пробел. Он пообещал, что к 2024 году Россия продемонстрирует примеры квантовых вычислений в реальных операциях с помощью самостоятельно разработанного стека. Это позволит сократить разрыв между Россией и ведущими странами (США и Китаем) в области квантовых технологий, и к 2025 году он составит всего два-три года. Но даже это слишком много.
Береги кошелек!
Так стоит ли опасаться за свою криптономику? Готов ли квантовый компьютер навести порядок?
Ученые из Сассекского центра квантовых технологий и Universal Quantum подсчитали количество физических кубитов, необходимых для взлома 256-битного ключа шифрования сети Bitcoin с помощью эллиптической кривой.
Расчет показал, что для взлома шифра за один час с помощью поверхностного кода потребуется 317 × 106 физических кубитов. Чтобы взломать шифр за один день, потребуется 13 × 106 физических кубитов. Для сравнения, самый большой в мире квантовый компьютер IBM в настоящее время имеет 127 кубитов.
Так что у нас еще есть время до появления квантовых хакеров.
OSINT — курс домашнего образования для чайников Зачем и кому нужна работа с открытыми данными?
OSINT (Open Source INTelligence) — разведка из открытых источников. Что это такое, кто его использует, почему он используется и для чего он может быть полезен.
В первом случае измерение даст состояние >(a|0\rangle+b|1\rangle)» width=»» height=»» />, во втором — состояние >(c|0\rangle+d|1\rangle)» width=»» height=»» />
Начнем с (относительно) простого примера
Давайте сначала рассмотрим, как работает обычный компьютер. Классический детский стишок про волка, козу и капусту очень уместен. Вспомните обстоятельства: фермер должен перевезти трио на другой берег в лодке, в которой помимо хозяина есть еще один предмет. В то же время человек не может оставить в покое волка и козу или козу и капусту — по понятным причинам.
Обычный компьютер работает с битами — единицами информации, которые принимают значение 0 или 1 (вспомните ТранзисторЕсли затвор деактивирован и ток не течет, это соответствует значению бита = 0, если затвор активирован и ток течет, значение бита = 1).
Если задача решается с помощью обычного компьютера, то можно использовать 4-битную систему, где 0 или 1 представляет левый или правый банк соответственно. Например, запись вида 0000 будет означать, что все находятся на левом берегу, а 1000 — что фермер ушел один и бросил свой участок.
Всего в этой задаче для каждого объекта может быть два состояния, то есть общее количество комбинаций равно 2*2*2*2 = 16. Единственным правильным первым шагом в решении, как мы знаем, является перемещение козла — то есть комбинация 1001. Чтобы компьютер понял, что этот шаг правильный, он должен перебрать все варианты один за другим, оставаясь в каждом из 16 состояний.
Квантовые компьютеры используют кубиты для хранения информации, которая может принимать значения 0 и 1 по отдельности, а также 0 и 1 одновременно, то есть они могут находиться во всех 16 состояниях одновременно — это называется суперпозицией, в отличие от двоичного положения в обычных устройствах.
Для примера мы использовали простую задачу, но представьте, что государств не 16, а триллион, и вам нужно найти одно из них. Даже если бы обычный компьютер мог обрабатывать каждое состояние за микросекунду (одну миллионную долю секунды), на решение проблемы ушло бы не меньше недели. Квантовый компьютер может сделать это за 1 секунду, по словам Гровера Алгоритм Гровера..
Еще раз: что такое квантовый компьютер?
Квантовый компьютер — это новый тип устройства, которое работает в соответствии с принципами квантовой механики. Это отрасль науки, изучающая поведение атомов и еще более мелких (субатомных) частиц: фотонов, электронов и нейтрино. Законы взаимодействия между ними существенно отличаются от тех, которые мы привыкли видеть в окружающем нас «большом» мире.
Единицей информации в квантовом компьютере, как мы видели, является квантовый бит или кубит, свойства которого включают суперпозицию, то есть комбинацию всех возможных состояний. Представьте, что необходимо открыть N дверей. Обычный компьютер открывает их один за другим, а квантовый компьютер может открыть их все сразу.
Парадокс кота Шредингера (да, того самого кота) также является примером суперпозиции, поскольку он одновременно жив и мертв. Чтобы сделать этот принцип более понятным, Microsoft предлагает Возьмем монету: Если классические биты отсчитываются при подбрасывании и принимают значение голова (0) или решка (1), то кубиты могут записывать все возможные положения монеты, включая голову, решку и любое состояние между ними.
Стоит уточнить, что когда мы говорим о суперпозиции, мы имеем в виду вероятность того, что кубиты находятся в каждом из промежуточных состояний. И мы узнаем, в каком состоянии он находится на самом деле, только когда «посмотрим» на него.
Кратко о свойствах квантовых битов
Суперпозиция — не единственное свойство субатомных частиц. В физике также существуют понятия взаимопроникновения, квантовой интерференции, коллапса и декогеренции.
Запутанность — это состояние квантовых частиц (двух или более), при котором между ними устанавливается некая связь, даже если они находятся на расстоянии тысяч километров друг от друга. Это означает, что если вы меняете кубик, то меняется и запутанность с ним. Добавляя в систему сонаправленные кубиты, можно экспоненциально увеличить вычислительную мощность квантовых компьютеров.
Интерференция — это следствие суперпозиции и один из самых загадочных принципов квантовой механики, который, проще говоря, гласит, что частица (например, фотон) может проходить свой собственный путь и интерферировать со своим собственным движением. Поскольку каждое состояние кубита описывается шириной вероятности, эти состояния образуют интерференционную картину. Если вы хотите разобраться в терминах, читать о эксперимент Эксперимент с двумя щелями Томаса Янга.
Интерференция может быть конструктивной и деструктивной — создатели квантовых компьютеров используют эти эффекты для влияния на вероятность определенного состояния и ускорения вычислений. Например, вероятность того, что кубиты разрушатся в момент измерения, составляет 70% для значения 1 и 30% для значения 0.
Декогеренция — это своего рода неконтролируемый коллапс волновой функции. Когда шум из окружающей среды (электрические и другие невидимые глазу помехи) попадает в систему кубитов, суперпозиция разрушается, и информация может быть потеряна (что критически влияет на точность решения задач). Ограничение рассогласованности является ключевой задачей при создании квантового компьютера.
