Квантовый компьютер: большая игра на повышение. Лекция в Яндексе. Что такое квантовый компьютер


Квантовые компьютеры | Наука и жизнь

Используя законы квантовой механики, можно создать принципиально новый тип вычислительных машин, которые позволят решать некоторые задачи, недоступные даже самым мощным современным суперкомпьютерам. Резко возрастет скорость многих сложных вычислений; сообщения, посланные по линиям квантовой связи, невозможно будет ни перехватить, ни скопировать. Сегодня уже созданы прототипы этих квантовых компьютеров будущего.

Американский математик и физик венгерского происхождения Иоганн фон Нейман (1903- 1957).

Американский физик-теоретик Ричард Филлипс Фейнман (1918-1988).

Американский математик Питер Шор, специалист в области квантовых вычислений. Предложил квантовый алгоритм быстрой факторизации больших чисел.

Американский математик Лов Гровер, автор квантового алгоритма быстрого поиска в базе данных.

Квантовый бит, или кубит. Состояниям и отвечают, например, направления спина атомного ядра вверх или вниз.

Квантовый регистр - цепочка квантовых битов. Одно- или двухкубитовые квантовые вентили осуществляют логические операции над кубитами.

ВВЕДЕНИЕ, ИЛИ НЕМНОГО О ЗАЩИТЕ ИНФОРМАЦИИ

Как вы думаете, на какую программу в мире продано наибольшее количество лицензий? Не рискну настаивать, что знаю правильный ответ, но мне точно известен один неверный: это не какая-либо из версий Microsoft Windows. Самую распространенную операционную систему опережает скромный продукт фирмы RSA Data Security, Inc. - программа, реализующая алгоритм шифрования с открытым ключом RSA, названный так в честь его авторов - американских математиков Ривеста, Шамира и Адельмана.

Дело в том, что алгоритм RSA встроен в большинство продаваемых операционных систем, а также во множество других приложений, используемых в различных устройствах - от смарткарт до сотовых телефонов. В частности, имеется он и в Microsoft Windows, а значит, распространен заведомо шире этой популярной операционной системы. Чтобы обнаружить следы RSA, к примеру, в браузере Internet Explorer (программе для просмотра www-страниц в сети Интернет), достаточно открыть меню "Справка" (Help), войти в подменю "О программе" (About Internet Explorer) и просмотреть список используемых продуктов других фирм. Еще один распространенный браузер Netscape Navigator тоже использует алгоритм RSA. Вообще, трудно найти известную фирму, работающую в области высоких технологий, которая не купила бы лицензию на эту программу. На сегодняшний день фирма RSA Data Security, Inc. продала уже более 450 миллионов(!) лицензий.

Почему же алгоритм RSA оказался так важен?

Представьте, что вам необходимо быстро обменяться сообщением с человеком, находящимся далеко. Благодаря развитию Интернета такой обмен стал доступен сегодня большинству людей - надо только иметь компьютер с модемом или сетевой картой. Естественно, что, обмениваясь информацией по сети, вы бы хотели сохранить свои сообщения в тайне от посторонних. Однако полностью защитить протяженную линию связи от прослушивания невозможно. Значит, при посылке сообщений их необходимо зашифровать, а при получении - расшифровать. Но как вам и вашему собеседнику договориться о том, каким ключом вы будете пользоваться? Если послать ключ к шифру по той же линии, то подслушивающий злоумышленник легко его перехватит. Можно, конечно, передать ключ по какой-нибудь другой линии связи, например отправить его телеграммой. Но такой метод обычно неудобен и к тому же не всегда надежен: другую линию тоже могут прослушивать. Хорошо, если вы и ваш адресат заранее знали, что будете обмениваться шифровками, и потому заблаго-временно передали друг другу ключи. А как быть, например, если вы хотите послать конфиденциальное коммерческое предложение возможному деловому партнеру или купить по кредитной карточке понравившийся товар в новом Интернет-магазине?

В 1970-х годах для решения этой проблемы были предложены системы шифрования, использую щие два вида ключей для одного и того же сообщения: открытый (не требующий хранения в тайне) и закрытый (строго секретный). Открытый ключ служит для шифрования сообщения, а закрытый - для его дешифровки. Вы посылаете вашему корреспонденту открытый ключ, и он шифрует с его помощью свое послание. Все, что может сделать злоумышленник, перехвативший открытый ключ, - это зашифровать им свое письмо и направить его кому-нибудь. Но расшифровать переписку он не сумеет. Вы же, зная закрытый ключ (он изначально хранится у вас), легко прочтете адресованное вам сообщение. Для зашифровки ответных посланий вы будете пользоваться открытым ключом, присланным вашим корреспондентом (а соответствующий закрытый ключ он оставляет себе).

Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA - самом распространенном методе шифрования с открытым ключом. Причем для создания пары открытого и закрытого ключей используется следующая важная гипотеза. Если имеется два больших (требующих более сотни десятичных цифр для своей записи) простых числа M и K, то найти их произведение N=MK не составит большого труда (для этого даже не обязательно иметь компьютер: достаточно аккуратный и терпеливый человек сможет перемножить такие числа с помощью ручки и бумаги). А вот решить обратную задачу, то есть, зная большое число N, разложить его на простые множители M и K (так называемая задача факторизации ) - практически невозможно! Именно с этой проблемой столкнется злоумышленник, решивший "взломать" алгоритм RSA и прочитать зашифрованную с его помощью информацию: чтобы узнать закрытый ключ, зная открытый, придется вычислить M или K.

Для проверки справедливости гипотезы о практической сложности разложения на множители больших чисел проводились и до сих пор еще проводятся специальные конкурсы. Рекордом считается разложение всего лишь 155-значного (512-битного) числа. Вычисления велись параллельно на многих компьютерах в течение семи месяцев 1999 года. Если бы эта задача выполнялась на одном современном персональном компьютере, потребовалось бы примерно 35 лет машинного времени! Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное - за 1025(!) лет. (Для сравнения возраст Вселенной равен ~1010 лет.)

Поэтому криптографические алгоритмы, подобные RSA, оперирующие достаточно длинными ключами, считались абсолютно надежными и использовались во многих приложениях. И все было хорошо до тех самых пор ...пока не появились квантовые компьютеры.

Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации (и многие другие!) не составит большого труда. Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов!

КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ?

Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральных схем), а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств.

В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам.

По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана (СН4). Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое (по числу частиц) количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной(!). И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. И. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог.

Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейн-ман, хорошо знакомый постоянным читателям "Науки и жизни". Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз.

И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Но вот в 1994 году американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П. Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел (о важности этой задачи уже шла речь во введении). По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений.

В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных. (Пример такой базы данных - телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом.) Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума.

Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьезная проблема - ошибки, или помехи. Дело в том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислений, чем классических. Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П. Шор, разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекции в них ошибок. К сожалению, тема коррекции ошибок в квантовых компьютерах так же важна, как и сложна, чтобы изложить ее в данной статье.

УСТРОЙСТВО КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА

Прежде чем рассказать, как же устроен квантовый компьютер, вспомним основные особенности квантовых систем (см. также "Наука и жизнь" № 8, 1998 г.; № 12, 2000 г.).

Для понимания законов квантового мира не следует прямо опираться на повседневный опыт. Обычным образом (в житейском понимании) квантовые частицы ведут себя лишь в том случае, если мы постоянно "подглядываем" за ними, или, говоря более строго, постоянно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам "отвернуться" (прекратить наблюдение), как квантовые частицы тут же переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных ипостасей. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично в другой, частично в третьей и т. д. Это не означает, что он делится на дольки, как апельсин. Тогда можно было бы надежно изолировать какую-нибудь часть электрона и измерить ее заряд или массу. Но опыт показывает, что после измерения электрон всегда оказывается "целым и невредимым" в одной единственной точке, несмотря на то, что до этого он успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называют суперпозицией квантовых состояний и описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Э. Шредингером. Модуль значения волновой функции в любой точке, возведенный в квадрат, определяет вероятность найти частицу в этой точке в данный момент. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается (коллапсирует) в ту точку, где частица была обнаружена, а затем опять начинает расплываться. Свойство квантовых частиц быть одновременно во многих состояниях, называемое квантовым параллелизмом , успешно используется в квантовых вычислениях.

Квантовый бит

Основная ячейка квантового компьютера - квантовый бит, или, сокращенно, кубит (q-бит). Это квантовая частица, имеющая два базовых состояния, которые обозначаются 0 и 1 или, как принято в квантовой механике, и . Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных положения электрона в полупроводнике и т.п.

Квантовый регистр

Квантовый регистр устроен почти так же, как и классический. Это цепочка квантовых битов, над которыми можно проводить одно- и двухбитовые логические операции (подобно применению операций НЕ, 2И-НЕ и т.п. в классическом регистре).

К базовым состояниям квантового регистра, образованного L кубитами, относятся, так же как и в классическом, все возможные последовательности нулей и единиц длиной L. Всего может быть 2L различных комбинаций. Их можно считать записью чисел в двоичной форме от 0 до 2L-1 и обозначать . Однако эти базовые состояния не исчерпывают всех возможных значений квантового регистра (в отличие от классического), поскольку существуют еще и состояния суперпозиции, задаваемые комплексными амплитудами, связанными условием нормировки. Классического аналога у большинства возможных значений квантового регистра (за исключением базовых) просто не существует. Состояния классического регистра - лишь жалкая тень всего богатства состояний квантового компьютера.

Представьте, что на регистр осуществляется внешнее воздействие, например, в часть пространства поданы электрические импульсы или направлены лазерные лучи. Если это классический регистр, импульс, который можно рассматривать как вычислительную операцию, изменит L переменных. Если же это квантовый регистр, то тот же импульс может одновременно преобразовать до переменных. Таким образом, квантовый регистр, в принципе, способен обрабатывать информацию в раз быстрее по сравнению со своим классическим аналогом. Отсюда сразу видно, что маленькие квантовые регистры (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Стоит, однако, отметить, что существует класс задач, для которых квантовые алгоритмы не дают значительного ускорения по сравнению с классическими. Одним из первых это показал российский математик Ю. Ожигов, построивший ряд примеров алгоритмов, принципиально не ускоряемых на квантовом компьютере ни на один такт.

И тем не менее нет сомнения, что компьютеры, работающие по законам квантовой механики, - новый и решающий этап в эволюции вычислительных систем. Осталось только их построить.

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ СЕГОДНЯ

Прототипы квантовых компьютеров существуют уже сегодня. Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. Так, недавно группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом (IBM), объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. Несомненно, это большой успех. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо очень подвержены влиянию шумов. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности.

Существует несколько идей и предложений, как сделать надежные и легко управляемые квантовые биты.

И. Чанг развивает идею об использовании в качестве кубитов спинов ядер некоторых органических молекул.

Российский исследователь М. В. Фейгельман, работающий в Институте теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН, предлагает собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводни ковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце - по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем.

В Физико-технологическом институте РАН группа под руководством академика К. А. Валиева предложила два варианта размещения кубитов в полупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини-электродам на поверхности полупроводника. Состояния 0 и 1 - положения электрона в одной из этих ям. Переключается кубит изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте кубитом является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупровод ника. Состояния 0 и 1 - направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля. Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения.

Таким образом, исследования активно ведутся и можно предположить, что в самом недалеком будущем - лет через десять - эффективный квантовый компьютер будет создан.

ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ

Попробуем представить, как мог бы выглядеть будущий квантовый компьютер. Вероятно, большой (масштабируемый) компьютер будет содержать тысячи управляющих элементов, действующих локально на каждый кубит. Каким образом могло бы осуществляться это воздействие? Скорее всего, с помощью электрических импульсов, подаваемых на микроэлектроды, подведенные к кубитам. Возможно также оптическое управление пучками света, сфокусированными на кубитах. Однако в этом случае трудно избежать паразитного воздействия на соседние кубиты дифракционных краев сфокусированного пучка. Что касается электрических методов, то они уже давно и широко применяются в микроэлектронике для управления классичес кими логическими элементами. Поэтому их использование представляется наиболее перспективным и для создания масштабируемых квантовых компьютеров. (Возможно, конечно, что в результате какого-нибудь технологического прорыва появится еще и третий вариант. Однако революционные открытия трудно поддаются прогнозу.)

Таким образом, весьма возможно, что в перспективе квантовые компьютеры будут изготавливаться с использованием традиционных методов микроэлектронной технологии и содержать множество управляющих электродов, напоминая современный микропроцессор. Для того чтобы снизить уровень шумов, критически важный для нормальной работы квантового компьютера, первые модели, по всей видимости, придется охлаждать жидким гелием. Вероятно, первые квантовые компьютеры будут громоздкими и дорогими устройствами, не умещающимися на письменном столе и обслуживаемыми большим штатом системных программистов и наладчиков оборудования в белых халатах. Доступ к ним получат сначала лишь государственные структуры, затем богатые коммерческие организации. Но примерно так же начиналась и эра обычных компьютеров.

А что же станет с классическими компью-терами? Отомрут ли они? Вряд ли. И для классических, и для квантовых компьютеров найдутся свои сферы применения. Хотя, по всей видимости, соотношение на рынке будет все же постепенно смещаться в сторону последних.

Внедрение квантовых компьютеров не приведет к решению принципиально нерешаемых классических задач, а лишь ускорит некоторые вычисления. Кроме того, станет возможна квантовая связь - передача кубитов на расстояние, что приведет к возникновению своего рода квантового Интернета. Квантовая связь позволит обеспечить защищенное (законами квантовой механики) от подслушивания соединение всех желающих друг с другом. Ваша информация, хранимая в квантовых базах данных, будет надежнее защищена от копирования, чем сейчас. Фирмы, производящие программы для квантовых компьютеров , смогут уберечь их от любого, в том числе и незаконного, копирования.

Автор выражает благодарность Лову Гроверу и Питеру Шору за любезно предоставленные материалы и поддержку при написании статьи.

ЧТО ЧИТАТЬ О КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРАХ

Для более глубокого освоения этой темы можно прочитать обзорную статью Э. Риффеля, В. Полака "Основы квантовых вычислений", опубликованную в издаваемом в России журнале "Квантовые компьютеры и квантовые вычисления" (№ 1, 2000 г.). (Кстати, это первый и пока единственный в мире журнал, посвященный квантовым вычислениям. Дополнительную информацию о нем можно узнать в Интернете по адресу http://rcd.ru/qc.). Освоив эту работу, вы сможете читать научные статьи по квантовым вычислениям.

Несколько большая предварительная математическая подготовка потребуется при чтении книги А. Китаева, А. Шеня, М. Вялого "Классические и квантовые вычисления" (М.: МЦНМО-ЧеРо, 1999).

Ряд принципиальных аспектов квантовой механики, существенных для проведения квантовых вычислений, разобран в книге В. В. Белокурова, О. Д. Тимофеевской, О. А. Хрусталева "Квантовая телепортация - обыкновенное чудо" (Ижевск: РХД, 2000).

В издательстве РХД готовится к выходу в виде отдельной книги перевод обзора А. Стина, посвященный квантовым компьютерам.

По вторникам с 15.00 в конференц-зале Физико-технологического институт РАН в Москве проходит семинар "Квантовый компьютер". Информацию о том, как принять участие в семинаре, можно узнать в Интернете по адресу http://qc.ipt.ac.ru.

Следующая литература будет полезна не только в познавательном, но и в историческом плане:

1) Ю. И. Манин. Вычислимое и невычислимое.

- М.: Сов. радио, 1980.

2) И. фон Нейман. Математические основы квантовой механики.

- М.: Наука, 1964.

3) Р. Фейнман. Моделирование физики на компьютерах // Квантовый компьютер и квантовые вычисления:

Сб. в 2-х т. - Ижевск: РХД, 1999. Т. 2, с. 96-123.

4) Р. Фейнман. Квантово-механические компьютеры

// Там же, с. 123.-156.

См. в номере на ту же тему

Квантовые биты и вентили

www.nkj.ru

Квантовый компьютер - это... Что такое Квантовый компьютер?

3 кубита квантового регистра против 3 битов обычного

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе классической механики. Полномасштабный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; эта работа лежит на переднем крае современной физики. Ограниченные (до 128[1]кубитов) квантовые компьютеры уже построены; элементы квантовых компьютеров могут применяться для повышения эффективности вычислений на уже существующей приборной базе.

Введение

Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена[2]Ричардом Фейнманом в 1981 году. Вскоре П. Бениоф описал теоретические основы построения такого компьютера[3].

Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для . Поэтому Фейнман и предложил построение квантового компьютера.

Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний , (обозначения Дирака) то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех этих базисных состояниях, при этом в каждом состоянии — со своей комплексной амплитудой . Это квантовое состояние называется «квантовой суперпозицией» данных классических состояний и обозначается как

Базисные состояния могут иметь и более сложный вид. Тогда квантовую суперпозицию можно проиллюстрировать, например, так: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: „распад“ и „не распад“, <…> но в квантовой механике у атома может быть некое объединённое состояние — „распада — не распада“, то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется „суперпозицией“»[4].

Квантовое состояние может изменяться во времени двумя принципиально различными путями:

  1. Унитарная квантовая операция (квантовый вентиль, англ. quantum gate), в дальнейшем просто операция.
  2. Измерение (наблюдение).

Если классические состояния есть пространственные положения группы электронов в квантовых точках, управляемых внешним полем , то унитарная операция есть решение уравнения Шредингера для этого потенциала.

Измерение есть случайная величина, принимающая значения с вероятностями соответственно. В этом состоит квантово-механическое правило Борна (англ.). Измерение есть единственная возможность получения информации о квантовом состоянии, так как значения нам непосредственно не доступны. Измерение квантового состояния не может быть сведено к унитарной шрёдингеровской эволюции, так как, в отличие от последней, оно необратимо. При измерении происходит так называемый коллапс волновой функции , физическая природа которого до конца не ясна. Спонтанные вредоносные измерения состояния в ходе вычисления ведут к декогерентности, то есть отклонению от унитарной эволюции, что является главным препятствием при построении квантового компьютера (см. Физические реализации квантовых компьютеров).

Квантовое вычисление есть контролируемая классическим управляющим компьютером последовательность унитарных операций простого вида (над одним, двумя или тремя кубитами). В конце вычисления состояние квантового процессора измеряется, что и дает искомый результат вычисления.

Содержание понятия «квантовый параллелизм» в вычислении может быть раскрыто так: «Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счёт того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно»[5].

Теория

Кубиты

Идея квантовых вычислений состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (квантовых битов, кубитов) имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, пространством состояний такого квантового регистра является 2L-мерное гильбертово пространство. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит фактически задействует одновременно 2L классических состояний.

Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть любые объекты, имеющие два квантовых состояния: поляризационные состояния фотонов, электронные состояния изолированных атомов или ионов, спиновые состояния ядер атомов, и т. д.

Один классический бит может находиться в одном и только в одном из состояний или . Квантовый бит, называемый кубитом, находится в состоянии , так что |a|² и |b|² — вероятности получить 0 или 1 соответственно при измерении этого состояния; ; |a|² + |b|² = 1. Сразу после измерения кубит переходит в базовое квантовое состояние, соответствующее классическому результату.

Пример:

Имеется кубит в квантовом состоянии В этом случае, вероятность получить при измерении
0 составляет (4/5)²=16/25 = 64 %,
1 (-3/5)²=9/25 = 36 %.
В данном случае, при измерении мы получили 0 с 64 % вероятностью. В результате измерения кубит переходит в новое квантовое состояние , то есть, при следующем измерении этого кубита мы получим 0 со стопроцентной вероятностью (предполагается, что по умолчанию унитарная операция тождественна; в реальных системах это не всегда так).

Приведем для объяснения два примера из квантовой механики: 1) фотон находится в состоянии суперпозиции двух поляризаций. Это состояние есть вектор в двумерной плоскости, систему координат в которой можно представлять как две перпендикулярные оси, так что и есть проекции на эти оси; измерение раз и навсегда коллапсирует состояние фотона в одно из состояний или , причем вероятность коллапса равна квадрату соответствующей проекции. Полная вероятность получается по теореме Пифагора.

Перейдем к системе из двух кубитов. Измерение каждого из них может дать 0 или 1. Поэтому у системы есть 4 классических состояния: 00, 01, 10 и 11. Аналогичные им базовые квантовые состояния: . И наконец, общее квантовое состояние системы имеет вид . Теперь |a|² — вероятность измерить 00 и т. д. Отметим, что |a|²+|b|²+|c|²+|d|²=1 как полная вероятность.

Если мы измерим только первый кубит квантовой системы, находящейся в состоянии , у нас получится:

  1. С вероятностью первый кубит перейдет в состояние а второй — в состояние , а
  2. С вероятностью первый кубит перейдет в состояние а второй — в состояние .

В первом случае измерение даст состояние , во втором — состояние

Мы снова видим, что результат такого измерения невозможно записать как вектор в гильбертовом пространстве состояний. Такое состояние, в котором участвует наше незнание о том, какой же результат получится на первом кубите, называют смешанным состоянием. В нашем случае такое смешанное состояние называют проекцией исходного состояния на второй кубит, и записывают в виде матрицы плотности вида где матрица плотности состояния определяется как .

В общем случае системы из L кубитов, у неё 2L классических состояний (00000…(L-нулей), …00001(L-цифр), … , 11111…(L-единиц)), каждое из которых может быть измерено с вероятностями 0—100 %.

Таким образом, одна операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые она может принимать, в отличие от классического бита. Это и обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений.

Вычисление

Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берется система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством унитарных преобразований, выполняющих те или иные логические операции. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера. Роль проводов классического компьютера играют кубиты, а роль логических блоков классического компьютера играют унитарные преобразования. Такая концепция квантового процессора и квантовых логических вентилей была предложена в 1989 году Дэвидом Дойчем. Также Дэвид Дойч в 1995 году нашёл универсальный логический блок, с помощью которого можно выполнять любые квантовые вычисления.

Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система дает результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счет небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.

С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, квантовый компьютер решит, и почти за такое же время. Следовательно, новая схема вычислений будет не слабее нынешней.

Чем же квантовый компьютер лучше классического? Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически (квантовый) алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов

Алгоритмы

Главная статья Квантовый алгоритм
  • Алгоритм Гровера позволяет найти решение уравнения за время .
  • Алгоритм Шора позволяет разложить натуральное число n на простые множители за полиномиальное от log(n) время.
  • Алгоритм Залки — Визнера позволяет моделировать унитарную эволюцию квантовой системы частиц за почти линейное время с использованием кубит.
  • Алгоритм Дойча — Джоза позволяет «за одно вычисление» определить, является ли функция двоичной переменной f(n) постоянной (f1(n) = 0, f2(n) = 1 независимо от n) или «сбалансированной» (f3(0) = 0, f3(1) = 1; f4(0) = 1, f4(1) = 0).
  • Алгоритм Саймона решает проблему чёрного ящика экспоненциально быстрее, чем любой классический алгоритм, включая вероятностные алгоритмы.

Было показано, что не для всякого алгоритма возможно «квантовое ускорение». Более того, возможность получения квантового ускорения для произвольного классического алгоритма является большой редкостью[6].

Квантовая телепортация

Алгоритм телепортации реализует точный перенос состояния одного кубита (или системы) на другой. В простейшей схеме используются 3 кубита: телепортируемый кубит и запутанная пара, один кубит которой находится на другой стороне. Отметим, что в результате работы алгоритма первоначальное состояние источника разрушится — это пример действия общего принципа невозможности клонирования — невозможно создать точную копию квантового состояния, не разрушив оригинал. Не получится скопировать произвольное состояние, и телепортация — замена этой операции.

Телепортация позволяет передавать квантовое состояние системы с помощью обычных классических каналов связи. Таким образом, можно, в частности, получить связанное состояние системы, состоящей из подсистем, удаленных на большое расстояние.

Применение квантовых компьютеров

Специфика применения

Может показаться, что квантовый компьютер — это разновидность аналоговой вычислительной машины. Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой.

Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:

  • необходимо обеспечить высокую точность измерений;
  • внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.

Приложения к криптографии

Благодаря огромной скорости разложения на простые множители, квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные при помощи популярного асимметричного криптографического алгоритма RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Для того, например, чтобы получить доступ к кредитной карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Даже для самых быстрых современных компьютеров выполнение этой задачи заняло бы больше времени, чем возраст Вселенной, в сотни раз. Благодаря алгоритму Шора эта задача становится вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.

Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений[7]. Прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки[8].

Физические реализации квантовых компьютеров

Построение квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной задачей физики XXI века. В настоящее время построены только ограниченные его варианты (в пределах 10 кубит). Вопрос о том, до какой степени возможно масштабирование такого устройства, является предметом новой интенсивно развивающейся области — многочастичной квантовой механики. Центральным здесь является вопрос о природе декогерентности (точнее, о коллапсе волновой функции), который пока остается открытым. Различные трактовки этого процесса можно найти в книгах[9][10][11].

История

На рубеже 21 века во многих научных лабораториях были созданы однокубитные квантовые процессоры (по существу, управляемые двухуровневые системы, о которых можно было предполагать возможность масштабирования на много кубитов). Очень скоро был реализован жидкостной ЯМР — квантовый компьютер (до 7 кубит, IBM, И. Чанг)[источник не указан 578 дней]. В 2005 году группой Ю. Пашкина (NEC, Япония) был построен двухкубитый квантовый процессор на сверхпроводящих элементах[источник не указан 578 дней]. Примерно в это время до десятка кубит было сделано на ионах в ловушках Пауля (Д. Винланд, П. Золлер, Р. Блатт)[источник не указан 578 дней].

  • В России разработкой вопросов физической реализации квантового компьютера занимается ряд исследовательских групп, ядро которых составляет школа академика К. А. Валиева: Физико-технологический институт РАН (лаборатория ФКК), МГУ (ф-т ВМК, кафедра КИ, физический ф-т, кафедра КЭ), МФТИ, МИФИ, МИЭТ, КГУ, ЯрГУ, а также ряд сотрудников институтов РАН (ИТФ, ИФТТ и др.) и вузов [источник не указан 578 дней].

Главные технологии для квантового компьютера:

  1. Твердотельные квантовые точки на полупроводниках: в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (нахождение или отсутствие электрона в определенной точке) либо направление электронного и/или ядерного спина в данной квантовой точке. Управление через внешние потенциалы или лазерным импульсом.
  2. Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, сквиды и др.). В качестве логических кубитов используются присутствие/отсутствие куперовской пары в определенной пространственной области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.
  3. Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). В качестве логических кубитов используются основное/возбужденное состояния внешнего электрона в ионе. Управление: классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на индивидуальные ионы + колебательные моды ионного ансамбля.
  4. Смешанные технологии: использование заранее приготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными ансамблями или как элементы управления классическими вычислительными сетями.
  • В феврале 2012 года компания IBM сообщила о достижении значительного прогресса в физической реализации квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитов которые, по мнению компании, позволят начать работы по созданию квантового компьютера[13].
  • В апреле 2012 года группе исследователей из Южно-Калифорнийского университета, Технологического университета Дельфта, университета штата Айова, и Калифорнийского университета, Санта-Барбара, удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза с примесями. Компьютер функционирует при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым. В качестве двух логических кубитов использовались направления спина электрона и ядра азота соответственно. Для обеспечения защиты от влияния декогерентности была разработана целая система, которая формировала импульс микроволнового излучения определенной длительности и формы. При помощи этого компьютера реализован алгоритм Гровера для четырёх вариантов перебора, что позволило получить правильный ответ с первой попытки в 95% случаев[14][15].

Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках

Один кубит можно представить в виде электрона в двух ямном потенциале, так что означает нахождение его в левой яме, а — в правой. Это называется кубит на зарядовых состояниях. Общий вид квантового состояния такого электрона: . Зависимость его от времени есть зависимость от времени амплитуд ; она задается уравнением Шредингера вида где гамильтониан имеет в силу одинакового вида ям и эрмитовости вид для некоторой константы , так что вектор есть собственный вектор этого гамильтониана с собственным значением 0 (так называемое основное состояние), а — собственный вектор со значением (первое возбужденное состояние). Никаких других собственных состояний (с определенным значением энергии) здесь нет, так как наша задача двумерная. Поскольку каждое состояние переходит за время в состояние , то для реализации операции NOT (перехода и наоборот достаточно просто подождать время . То есть гейт NOT дается просто естественной квантовой эволюцией нашего кубита при условии, что внешний потенциал задает двух ямную структуру; это делается с помощью технологии квантовых точек.

Для реализации CNOT надо расположить два кубита (то есть две пары ям) перпендикулярно друг другу, и в каждой из них расположить по отдельному электрону. Тогда константа для первой (управляемой) пары ям будет зависеть от того, в каком состоянии находится электрон во второй (управляющей) паре ям: если ближе к первой, будет больше, если дальше — меньше. Поэтому состояние электрона во второй паре определяет время совершения NOT в первой яме, что позволяет снова выбрать нужную длительность времени для производства операции CNOT.

Эта схема очень приблизительная и идеализирована; реальные схемы сложнее и их реализация представляет вызов экспериментальной физике.

Заявления D-Wave

Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion[16][17]). Информация об этом устройстве не отвечала требованиям достоверного научного сообщения, поэтому новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании — создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер — вызвали скепсис у членов экспертного сообщества[18].

В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера (устройство получило название Leda) онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам[19]. Данная демонстрация также вызвала скепсис.

В январе 2008 года компания привлекла 17 млн долларов США от международных инвесторов на поддержание своей деятельности (англ. product development, operations and business development activity).[20]

В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычислений [email protected] (Adiabatic QUantum Algorithms)[21], в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave.

8 декабря 2009 года на конференции NIPS (англ.) научный сотрудник Google Hartmut Neven (англ.) продемонстрировал на компьютере D-Wave работу программы распознавания образов.[22]

Более подробно о компании D-Wave Systems Inc., проводящихся в ней исследованиях и последних результатах можно узнать в блоге сооснователя компании Geordie Rose.[23]

11 мая 2011 года представлен компьютер D-Wave One, созданный на базе 128-кубитного процессора.[24]

С 20 мая 2011 года D-Wave Systems продает за $ 11 млн квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу — дискретную оптимизацию.[25] Компьютер расположен в вычислительном центре Южно-Калифорнийского университета (университетский городок института информатики в Марина-дель-Рэе (англ. Marina del Rey)). Его рабочая температура составляет 20 мкК, компьютер тщательно экранирован от внешних электрических и магнитных полей.[26][27]

25 мая 2011 года Lockheed Martin подписала многолетний контракт с D-Wave Systems, касающийся выполнения сложных вычислительных задач на квантовых процессорах. Контракт также включает в себя техническое обслуживание, сопутствующие услуги и покупку квантового компьютера D-Wave One.[28]

В то же время, квантовые компьютеры D-Wave Systems подвергаются критике со стороны некоторых исследователей. Так, профессор Массачусетского Технологического Института Скотт Ааронсон считает, что D-Wave пока не смогла доказать ни того, что ее компьютер решает какие-либо задачи быстрее, чем обычный компьютер, ни того, что используемые 128 кубитов удается ввести в состоянии квантовой запутанности. Если же кубиты не находятся в запутанном состоянии, то это не квантовый компьютер[29].

23 августа 2012 года было объявлено об успешном решении задачи о нахождении трехмерной формы белка по известной последовательности аминокислот в его составе с использованием 115 кубитов квантового компьютера D-Wave One из 128 имеющихся методом квантового отжига. [30]

См. также

Примечания

  1. ↑ Решение "тяжелой" задачи потребовало 84 кубитов квантового компьютера и всего 270 миллисекунд вычислительного времени.
  2. ↑ Feynman, R.P. Simulating physics with computers // International Journal of Theoretical Physics. — 1982. — V. 21. — Number 6. — P. 467—488 [1]
  3. ↑ (1982) «Quantum mechanical hamiltonian models of turing machines». Journal of Statistical Physics 29 (3): 515–546. DOI:10.1007/BF01342185. Bibcode: 1982JSP....29..515B.
  4. ↑ Quantum entanglement
  5. ↑ Холево, А. КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА: ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ, БУДУЩЕЕ // В МИРЕ НАУКИ. — июль 2008. — № 7
  6. ↑ Ozhigov Y. Quantum Computers Speed Up Classical with Probability Zero // Chaos Solitons and Fractals, 10 (1999) 1707—1714 [2]
  7. ↑ Валиев, К. А. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография // Вестник российской академии наук. — 2000. — Том 70. — № 8. — С. 688—695
  8. ↑ Созданы прототипы квантовых компьютеров
  9. ↑ Р. Пенроуз, Путь к Реальности [3]
  10. ↑ X.Бройер, Ф.Петруччионе, Теория открытых квантовых систем [4]
  11. ↑ Ю. И. Ожигов, Конструктивная физика [5]
  12. ↑ First universal programmable quantum computer unveiled
  13. ↑ IBM сообщает об успехах в создании квантового компьютера
  14. ↑ Дефекты кристаллической решетки алмаза позволили создать "блестающий" квантовый компьютер
  15. ↑ Quantum computer built inside diamond - article with reference to the original work in Nature
  16. ↑ D-Wave Orion: первый квантовый компьютер
  17. ↑ Firm claims first "commercial" quantum computer
  18. ↑ D-Wave восхитила журналистов и возмутила ученых
  19. ↑ Сайт компании D-Wave
  20. ↑ D-Wave Systems: News, 31.01.2008
  21. ↑ Сайт [email protected]
  22. ↑ Google: Machine Learning with Quantum Algorithms (англ.)
  23. ↑ D-Wave Systems: rose.blog (англ.)
  24. ↑ D-Wave Systems: official site (англ.)
  25. ↑ First Ever Commercial Quantum Computer Now Available for $10 Million. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012. Проверено 25 мая 2011.
  26. ↑ Теперь они нас посчитают / наука / Компьютерные блоги студентов ВМК. Физические основы ЭВМ
  27. ↑ USC — Viterbi School of Engineering — Operational Quantum Computing Center Established at USC
  28. ↑ Lockheed Martin Signs Contract with D-Wave Systems. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012.Retrieved 2011-05-25
  29. ↑ С.Ааронсон "Моя поездка в D-Wave: по ту сторону мясного сэндвича"
  30. ↑ Задача об укладке белка решена квантовым способом - Наука и техника - Квантовая механика - Квантовые компьютеры - Компьюлента

Литература

Статьи

  • Опенов Л. А. Спиновые логические вентили на основе квантовых точек // Соросовский образовательный журнал, 2000, т. 6, № 3, с. 93-98;
  • G. Brassard, I. Chuang, S. Lloyd, C. Monroe. Quantum computing // PNAS. — 1998. — Vol. 95. — P. 11032—11033.
  • Килин С. Я. Квантовая информация // УФН. — 1999. — Т. 169. — C. 507—527.
  • Валиев К. А. Квантовые компьютеры: можно ли их сделать «большими»? // УФН. — 1999. — Т. 169. — C. 691—694.
  • A. M. Steane, E. G. Rieffel. Beyond Bits: The Future of Quantum Information Processing // IEEE Computer. — January 2000. — P. 38—45.
  • Kilin S.Ya. Quanta and information // Progress in optics. — 2001. — Vol. 42. — P. 1-90.
  • Валиев К. А. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления // УФН. — 2005. — Т. 175. — C. 3—39.
  • T. D. Ladd, F. Jelezko, R. Laflamme, Y. Nakamura, C. Monroe, J. L. O’Brien. Quantum Computing // Nature. — 2010. — Vol. 464. — P. 45—53.
  • Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Глав. ред. В.А. Садовничий, Ижевск: ИЖТ, 1999. - 288с.

Книги

  • Дойч Д. Структура реальности. — Ижевск НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 400 с.
  • Квантовые вычисления за и против / Под ред. Садовничего В. А.
  • Квантовый компьютер и квантовые вычисления / Под ред. Садовничего В. А.
  • Валиев К. А., Кокин А. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. — М.—Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2004. — 320 с. ISBN 5-93972-024-2
  • Кайе Ф., Лафламм Р., Моска М. Введение в квантовые вычисления. — Ижевск: РХД, 2009. — 360 с.
  • Китаев А., Шень А., Вялый М. Классические и квантовые вычисления. — М.: МЦНМО, 1999. — 192 с.
  • Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. — М.: Мир, 2006. — 824 с.
  • Ожигов Ю. И. Квантовые вычисления.
  • Ожигов Ю. И. Конструктивная физика.
  • Прескилл Дж. Квантовая информация и квантовые вычисления (в 2-х томах). — Ижевск: РХД, 2008-2011. — 776 с.

Ссылки

dic.academic.ru

как он устроен — Naked Science

Количество информации в мире возрастает ежегодно на 30%. Только за последние пять лет человечеством было произведено больше данных, чем за всю предшествующую историю. Появляются системы Интернета вещей, в которых каждый датчик отправляет и получает огромное количество данных ежесекундно, и, по прогнозам аналитиков, количество подключенных к Интернету вещей скоро превысит количество пользователей-людей. Эти колоссальные объемы информации необходимо где-то хранить и как-то обрабатывать.

 

Сейчас уже существуют суперкомпьютеры мощностью более 50 петафлопс (1 петафлопс =1 тыс. трлн операций в секунду). Однако рано или поздно мы упремся в физический предел возможной мощности процессоров. Конечно, суперкомпьютеры все еще смогут расти в размерах, но это не решение проблемы, поскольку и размеры когда-нибудь достигнут своих пределов. По мнению ученых, скоро закон Мура перестанет исполняться и человечеству понадобятся новые, значительно более мощные устройства и технологии обработки данных. Поэтому уже сейчас крупные ИТ-компании работают над созданием совершенно нового революционного типа компьютеров, мощности которых будут в сотни раз превосходить те, что мы имеем на сегодняшний день. Это — квантовый компьютер. Эксперты обещают, что благодаря ему, возможно, удастся найти лекарство от рака, моментально находить преступников, анализируя записи с камер, моделировать молекулы ДНК. Сейчас даже представить сложно, какие еще задачи он сможет решать.

 

Microsoft старается быть на передовой развития этой области, изучая ее уже на протяжении двадцати лет, ведь тот, кто первым создаст квантовый компьютер, получит неоспоримое конкурентное преимущество. Причем компания работает не только над созданием «железа», но также недавно представила язык программирования, который смогут использовать разработчики. На самом деле очень немногие люди могут похвастаться тем, что понимают принципы работы этого революционного устройства, для большинства из нас это нечто из разряда фантастики. Так что же он собой представляет?

 

Одной из важнейших частей компьютера, от которой напрямую зависит его мощность, является процессор, который, в свою очередь, состоит из огромного числа транзисторов. Транзисторы — это простейшие части системы, они чем-то похожи на переключатели и могут находиться только в двух положениях: либо «включен», либо «выключен». Именно из комбинаций этих положений складывается двоичный код, состоящий из нулей и единиц, на котором базируются все языки программирования.

 

 

Принцип работы транзисторов

 

Соответственно, чем мощнее компьютер, тем больше транзисторов необходимо для его работы. Производители постоянно уменьшают их размеры, стараясь уместить как можно большее число в процессоры. Например, в новом Xbox One X их миллиарды.

 

Миллионы транзисторов, работающих в каждом процессоре

 

Сейчас размер одного транзистора составляет 10 миллимикрон, то есть одну стотысячную миллиметра. Но однажды будет достигнут физический предел, меньше которого транзистор просто невозможно сделать. Для того чтобы избежать кризиса в развитии ИТ, ученые работают над созданием компьютера, который будет работать по совершенно другому принципу, — квантового. Транзисторы, из которых будет состоять квантовый компьютер, могут находиться одновременно в двух положениях: «включен» и «выключен» и, соответственно, сразу быть и единицей, и нулем, это называется «суперпозиция».

 

 Суперпозиция, принцип работы квантового транзистора

 

Если мы возьмем 4 стандартных транзистора (бита), то они, работая вместе, могут создать 16 различных комбинаций единиц и нулей. По одной за раз.

 

Производительность стандартных транзисторов (битов)

 

Если же мы рассматриваем 4 квантовых транзистора (кубита), то они могут быть всеми 16 комбинациями одновременно. Это огромная экономия места и времени!

 

Производительность квантовых транзисторов (кубитов)

 

Но, конечно же, создать кубиты очень и очень сложно. Ученым приходится иметь дело с субатомными частицами, которые подчиняются законам квантовой механики, разрабатывать совершенно новый подход к программированию и языку.

 

Существуют различные типы кубитов. Эксперты Microsoft, например, работают над созданием топологических кубитов. Они невероятно хрупки и легко разрушаются от малейших звуковых волн или теплового излучения. Для стабильной работы им необходимо постоянно находиться при температуре –273°C. Однако у них есть и ряд преимуществ перед другими типами: информация, хранящаяся в них, практически не подвержена ошибкам, и, соответственно, квантовый компьютер, созданный на основе топологических кубитов, будет являться сверхнадежной системой.

 

Квантовый компьютер Microsoft состоит из трех основных уровней: первый уровень — собственно, квантовый компьютер, содержащий кубиты и постоянно находящийся при температуре, близкой к абсолютному нулю; следующий уровень — криогенный компьютер — это тоже совершенно новый тип компьютера, который управляет квантовым и работает при температуре –268°C; последний уровень — компьютер, за которым уже может работать человек, и управляющий всей системой. Подобные компьютеры будут в 100–300 раз превосходить по мощности самые продвинутые суперкомпьютеры, существующие сейчас.

 

Сегодня мир как никогда близко подошел к изобретению настоящего квантового компьютера: есть понимание принципа его работы, прототипы. И в тот момент, когда мощности обычных компьютеров для обработки всей существующей на Земле информации хватать перестанет, появится квантовый компьютер, знаменующий собой совсем новую эру цифровых технологий.

naked-science.ru

Квантовый компьютер - его ждут и боятся

Квантовый компьютер 2

Квантовый компьютер 0Квантовый компьютер —  это не просто компьютер будущего поколения, это нечто гораздо большее. Не только с точки зрения применения новейших технологий, но и с точки зрения его неограниченных, невероятных, фантастических возможностей, способных не только изменить мир людей, но даже … создавать иную реальность.

Кубит

Как известно, современные компьютеры используют память, представленную в двоичном коде: 0 и 1.  Точно так же как в азбуке Морзе — точка и титре. С помощью двух знаков можно зашифровать любую информацию, путем варьирования их сочетаний.

бит

В памяти современного компьютера миллиарды этих битов. Но каждый из них может быть в одном из двух состояний — либо ноль, либо один. Как лампочка: либо включена, либо выключена.

Квантовый бит (кубит) — наименьший элемент хранения информации в компьютере будущего. Единицей информации в квантовом компьютере теперь может быть не только нуль или единица, а то и другое одновременно.

Кубит

Одна ячейка выполняет два действия, две -четыре, четыре — шестнадцать и т. д.  Именно поэтому квантовые системы могут работать в два раза быстрее и с большими объемами информации, чем современные.

Впервые «измерили» кубит (Q-bit) ученые Российского квантового центра (РКЦ) и Лаборатории сверхпроводящих мета материалов.

С технической стороны, кубит,  — это диаметром в несколько микрон металлическое кольцо с разрезами, напылённое на полупроводник. Кольцо  охлаждается до сверхнизких температур для того, что бы оно стало сверхпроводником. Допускаем, что ток, протекающий по кольцу, идет по часовой стрелке — это 1. Против — 0. То есть два обычных состояния.

Через кольцо пропустили микроволновое излучение. На выходе из кольца этого излучения,  измеряли сдвиг тока по фазе.  Оказалось, что вся эта система может находиться как в двух основных, так и смешанном состоянии: тем и другим одновременно!!! В науке это называется принципом суперпозиции.

Эксперимент русских ученых ( аналогичный  провели и ученые других стран), доказал, что кубит имеет право на жизнь. Создание кубита подвело к идее и приблизило ученых к мечте по созданию оптического квантового компьютера. Осталось его только сконструировать и создать. Но не все так просто…

Сложности, проблемы в создании квантового компьютера

Если требуется, к примеру, обсчитать миллиард вариантов в современном компьютере, то ему нужно «прокрутить» миллиард подобных циклов. На квантовом компьютере имеется принципиальное отличие, он может просчитывать все эти варианты одновременно.Один из главных принципов, на которых будет работать квантовый компьютер, — это принцип суперпозиции и иначе, как магическим, его не назовешь!Он означает, что один и тот же человек может находится в разных местах в одно и то же время. Физики шутят: » Если вас не шокирует квантовая теория, значит вы ее не поняли».

Квантовый компьютер 1

Это похоже на самогонный аппарат

Внешний вид создаваемых сейчас квантовых компьютеров разительно отличается от классических. Они похожи… на самогонный аппарат:

Квантовый компьютер 2Такая конструкция, сотоящая из медных и золотых частей, змеевиков-охладителей и пр. характерных деталей, разумеется не устраивает его создателей. Одна из основных задач ученых сделать ее компактной и дешевой. Что бы это произошло, нужно решить несколько проблем.

Проблема первая — неустойчивость суперпозиций

Все эти квантовые суперпозиции очень «нежные». Как только на них начинаешь смотреть, как только они начинают взаимодействовать с другими объектами, так  они сразу  разрушаются. Становятся, как бы классическими. Это одна из самых важных проблем в создании квантового компьютера.

Проблема вторая — требуется сильное охлаждение

Второе препятствие — для достижения стабильной работы квантового компьютера. в том виде, какой имеем на сегодня, требуется его сильное охлаждение. Сильное, это создание аппаратуры, в которой поддерживается температура близкая к абсолютному нулю — минус 273 градуса по Цельсию! Поэтому сейчас прототипы таких компьютеров, со своими криогенно-вакуумными установками, выглядят очень громоздко:

Квантовый компьютер 3

Однако ученые уверены, что вскоре все технические проблемы будут решены и  однажды квантовые компьютеры, обладающие огромной вычислительной мощью, заменят современные.

Некоторые технические решения в решении проблем

К настоящему времени, ученые нашли ряд существенных решений в решении вышеизложенных проблем. Эти технологические находки, результат сложной, а иногда и длительной, напряженной работы ученых, заслуживает всяческого уважения.

Лучший путь к совершенствованию работы  кубита… бриллианты

Все очень похоже на  известную песню о девушках и бриллиантах. Главное, над чем сейчас работают ученые -поднять время жизни кубита, а так же «заставить» работать квантовый компьютер при обычных температурах.  Да,  для связи между квантовыми компьютерами нужны бриллианты! Для всего этого пришлось создавать и использовать искусственные алмазы сверх высокой прозрачности.  С их помощью смогли продлить жизнь кубита до двух секунд. Эти скромные достижения: две секунды жизни кубита и работа компьютера при комнатной температуре, на самом деле революция в науке.

Повелитель квантов Серж Арош

Суть эксперимента французского ученого Сержа Ароша основана на том, что он сумел показать всему миру, что свет (квантовый поток фотонов), проходящий между двумя специально созданными им зеркалами, не теряет квантового состояния.

Повелитель квантов Серж Арош

Заставив свет пройти  40 000 км между этими зеркалами, он определил, все происходит без потери квантового состояния. Свет состоит из фотонов и до сих пор никто не мог выяснить, теряют ли  они свое квантовое состояние при прохождении определенного расстояния. Лауреат Нобелевской премии Серж Арош: «Один фотон находится в нескольких местах одновременно, нам удалось это зафиксировать.»  На самом деле это и есть принцип суперпозиции. «В нашем большом мире такое невозможно. А в микро-мире — другие законы.»,  — говорит Арош.

kvantoviy konp5Внутри резонатора находились классические атомы, которые можно измерить. По поведению атомов физик научился определять и измерять неуловимые квантовые частицы. До экспериментов Ароша считалось, что наблюдение за квантами невозможно. После эксперимента — заговорили о покорении фотонов, то есть о приближении эры квантовых компьютеров.

Почему многие с нетерпением  ждут создания полноценного квантового генератора, а другие его боятся

Квантовый компьютер подарит человечеству огромные возможности

Квантовый компьютер откроет перед человечеством необозримые возможности. Например, поможет создать искусственный разум, о котором столько времени бредят фантасты. Или смоделировать вселенную. Целиком. По самым скромным прогнозам он позволит заглянуть за грани возможного. Давайте представим мир, где можно смоделировать абсолютно все, что пожелаешь: спроектировать молекулу, сверхпрочный металл, быстро разлагающийся пластик, придумать лекарства от неизлечимых болезней. Машина смоделирует весь наш мир, целиком, до последнего атома. Можно даже смоделировать другой мир, пусть даже виртуальный.

Квантовый компьютер сможет стать орудием Апокалипсиса

Многие люди, вникнув в суть квантовой технологии, боятся ее по разным причинам. Уже сейчас компьютеризация и все околокомпьютерные технологии, пугают обывателя. Достаточно вспомнить скандалы о том, как специальные службы с помощью встроенных программ в ПК и даже бытовые приборы, организуют слежку и сбор данных об их потребителях. Например во многих странах запретили всем известные очки Golden-I — «золотой глаз» — ведь они являются идеальным средством для скрытой съемки и слежки. Уже сейчас, наверняка, каждый житель любой страны, а тем более пользователь в Сети, занесен в какую-нибудь базу данных. Более того и вполне реально, определенные службы могут просчитывать каждое его действие в интернете.

Но для квантовых компьютеров не будет тайн! Вообще никаких. Вся компьютерная безопасность держится на очень длинных числах-паролях. Что бы получить подобрать ключ к коду, обычному компьютеру понадобиться миллион лет. Но с помощью квантового это сможет сделать любой и мгновенно. Получается, что в мире станет совершенно небезопасно: ведь в современном мире  все контролируется с помощью компьютеров: банковские переводы, полеты самолетов, фондовые биржи, ракетно-ядерное оружие!  Вот и получается: кто владеет информацией, тот владеет Миром. Кто первый — тот и бог.  Квантовый компьютер станет сильнее любого комплекса вооружений.  На Земле может начаться (или уже началась) новая гонка вооружений, только теперь не ядерная, а компьютерная.

Дай нам Бог выйти из нее благополучно…

Похожие записи:

ogend.ru

Квантовый компьютер новости. D-Wave, IBM, Google лидеры отрасти

Если квантовая механика не шокировала Вас, значит Вы ёё не поняли

                                                                                                                         Нильс Бор

Здравствуйте, дорогие мои читатели!

Мы с Вами незаметно для себя перешагнули из индустриальной в постиндустриальную (или информационную, цифровую) эпоху. На стыке XX-XXI столетий произошла новейшая технологическая революция, которую ещё в 70-х годах предсказали футурологи. Сейчас мы наблюдаем стремительное развитие технологий.

Загадочные и никому не понятные законы квантовой физики – законы микромира – учёные хотят поставить на службу нашему с Вами макромиру. Не верится, что недавно квантовая физика была только в математических расчетах, спорах между физиками (см. статью Квантовая физика для чайников) и мысленных экспериментах (см. статью Кот Шредингера простыми словами. Суть эксперимента), а сейчас мы говорим об активном выпуске квантовых компьютеров! Одна из наиболее модных и авангардных тем физики наших дней – создание квантового компьютера, как реального прибора.

Квантовый компьютер может мгновенно решать такие задачи, на решение которых даже самый современный и мощный компьютер тратит годы. Похоже мы с Вами можем стать свидетелями ещё одной технологической революции – квантовой!

Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?». Хотите тоже узнать на них ответы?

В этой статье мы вместе найдём ответы на эти загадочные вопросы:
  • Как работает квантовый компьютер?
  • Что такое кубит и суперпозиция кубитов?
  • Для каких задач нужен квантовый компьютер?
  • Задача коммивояжёра и задача рюкзака
  • Почему боятся появления квантового компьютера?
  • Когда ждать массового производства квантовых компьютеров?
  • Будет ли служить квантовый компьютер заменой обычному?
  • Все ли операции квантовый компьютер выполняет быстрее обычного компьютера?

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ:

Как работает квантовый компьютер?

Квантовый компьютерВ чём отличие работы квантового компьютера от компьютеров, с которыми мы работаем?

Обычный компьютер в качестве логической единицы информации имеет бит. Биты могут принимать только 2 значения – 0 или 1. А квантовый компьютер оперирует квантовыми битами – кубитами (сокращённо). Кубиты имеют не материальную (физическую), а квантовую природу. Поэтому могут одновременно принимать значения и 0, и 1, и все значения комбинаций этих 2- х основных.

Именно благодаря квантовой природе кубита и его способности принимать одновременно несколько значений, квантовые компьютеры имеют способность решать большое количество задач параллельно, т.е. одновременно. В то время, как бит обычного компьютера перебирает все возможные значения последовательно. Таким образом, задачу, на решение которой обычному компьютеру понадобится несколько десятков лет, квантовый компьютер решит за несколько минут.

Но нам трудно представить, как один объект (кубит) может принимать множество значений одновременно? Не стоит расстраиваться — никто не может этого представить. Ведь законы нашего макромира отличаются от законов микромира. В нашем мире, если мы положили шар в одну из коробок, то в одной коробке будет шар (значение «1»), а в другой — пусто (значение «0»). Но в микро мире (представьте вместо шара — атом), атом может быть одновременно в 2-х коробках.

Выдающемуся физику Ричарду Фейнману принадлежат слова: «С уверенностью можно сказать, что никто не понимает квантовой физики». Ричард Фейнман был первым физиком, который предрёк возможность появления квантового компьютера

Итак, не стоит волноваться, после просмотра этого видео всё станет на свои места. Просто –  о сложном: как работает квантовый компьютер – видео расскажет за 2 минуты:

Что такое кубит и суперпозиция кубитов?

Кубит — это квантовый разряд. Как мы уже говорили выше, кубит может быть одновременно в обоих состояниях единицы и нуля и может быть не «чистым» 1 и 0, а принимать все значения их комбинаций. Фактически количество состояний или значений кубита бесконечно. Это возможно благодаря его квантовой природе.

Кубит, будучи квантовым объектам, обладает свойством «суперпозиции», т.е. может одновременно принимать все состояния единицы и нуля и их комбинаций

В нашем материальном мире это невозможно, поэтому это так трудно представить. Давайте разберем понятие суперпозиции кубита на примере из нашего физического макромира.

Представим, что у нас есть один мяч и он спрятан в одной из 2-х коробок. Мы точно знаем, что мяч может находиться только в одной из коробок, а в другой – пусто. Но в микромире всё не так. Представим, что в коробке атом вместо мяча. В этом случае неправильно было бы предположить, что наш атом находится в одной из 2-х коробок. Согласно законов квантовой механики атом может находится в 2-х коробках одновременно – быть в суперпозиции.

Бит и Кубит

Для каких задач нужен квантовый компьютер?

Исходя из свойства суперпозиции, кубит может выполнять вычисления параллельно. А бит – только последовательно. Обычный компьютер последовательно перебирает все возможные комбинации (варианты), например, состояния системы. Для точного описания состояния системы из 100 составляющих на квантовом компьютере понадобиться 100 кубит. А на обычном – триллионы триллионов бит (огромные объемы оперативной памяти).

Таким образом, квантовый компьютер нужен человечеству не для просмотра видео или общения в соц сетях :). С этим прекрасно справляется обычный компьютер.

Квантовый компьютер нужен для решения задач, где для получения правильного ответа необходимо перебрать большое количество вариантов.

Это поиск по огромным базам данных, моментальное прокладывание оптимального маршрута, подбор лекарств, создание новых материалов и множество других важных для человечества задач.

В качестве наглядных примеров можно привести 2 задачи, которые в математике называются задачами рюкзака и коммивояжёра.

Задача коммивояжёра и задача рюкзака

Задача коммивояжёра. Представьте, что Вы завтра едете в отпуск и за сегодня Вам надо сделать много дел, например: закончить отчёт на работе, купить маску и ласты, пообедать, постричься, забрать посылку с почты, заехать в книжный магазин и, наконец, собрать чемодан. Дел очень много, и Вам надо так распланировать день, чтобы посетить все места за минимум времени. Казалось бы, простая задача.

Эта задача по оптимизации перемещения по нескольким точкам в математике называется задачей коммивояжера. Поразительно, но за разумное время её невозможно решить. Если мест, немного, например, 5, то вычислить оптимальный маршрут не сложно. А если точек 15, то количество вариантов маршрутов составит 43 589 145 600. Если на оценку 1 варианта Вы потратите секунду, тогда для анализа всех вариантов Вы потратите 138 лет! Это всего для 15-ти точек маршрута!

Задача рюкзака. Вот пример еще одной такой задачи. Вы, наверняка, с ней сталкивались, когда выбирали, что наиболее ценного привезти из путешествия с учетом того, что вес багажа ограничен. Не расстраивайтесь: это нетривиальная задача. Её трудно решить не только Вам, но даже и мощному компьютеру. Как решить, что упаковать в рюкзак покупок на максимальную сумму. При этом, не превысить лимит веса? Для решения этой задачи, как и задачи коммивояжёра, не хватит человеческой жизни.

Задачи, подобные задаче коммивояжера и рюкзака, которые нельзя решить за разумное время, даже пользуясь самыми мощными компьютерами, называются NP-полными. Они очень важны в обычной жизни человека. Это задачи по оптимизации, от размещения товаров на полках склада ограниченного объема до выбора оптимальной стратегии капиталовложения.

Теперь у человечества появилась надежда, что такие задачи будут быстро решаться с помощью квантовых компьютеров.

Почему боятся появления квантового компьютера?

Большая часть криптографических технологий, например, для защиты паролей, личной переписки, финансовых транзакций, создана на том принципе, что современный компьютер не может за короткое время решить определенную задачу. Например, перемножить два числа компьютер быстро может, а вот разложить результат на простые множители ему не просто (точнее, долго).

Пример. Чтобы разложить на два множителя число из 256 цифр, самому современному компьютеру понадобилось бы несколько десятков лет. А вот квантовый компьютер по алгоритму английского математика Питера Шора эту задачу сможет решить за несколько минут.

Благодаря сложности этой задачи для обычного компьютера, Вы безопасно снимаете деньги в банкомате и оплачиваете покупки платежной картой. К ней, помимо пин-кода, привязано большое число. Оно делится на Ваш пин-код без остатка. При вводе пина, банкомат делит Ваше большое число на введенный Вами пин и проверяет ответ. Для подбора правильного числа злоумышленнику понадобилось бы время, по истечении которого во Вселенной уже не осталось бы ни планеты Земля, ни платёжной карты.

Но на радость всем криптографам квантовый компьютер в серийном варианте всё ещё не создан. Однако по запросу «квантовый компьютер новости» уже сегодня звучит ответ: «Это дело не далекого будущего». Разработки активно ведутся крупнейшими корпорациями, такими, как IBM, Intel, Google и многими другими.

Когда ждать массового производства квантовых компьютеров?

Одно дело разработать теорию кубита, а совсем другое дело воплотить  в реальность. Для этой цели надо найти физическую систему с 2-мя квантовыми уровнями для использования в качестве 2-х базовых состояний кубита –  единицы и нуля. Для решения этой задачи научные группы разных стран используют фотоны, ионы, электроны, ядра атомов, дефекты в кристаллах.

Основных ограничений в работе кубитов два:

  • количество кубитов, которые могут работать сообща
  • и время их жизни.

В 2001 году в компании IBM  было выполнено тестирование 7-кубитного квантового компьютера. Квантовый компьютер IBM выполнил разложение числа 15 на простые множители по алгоритму Шора.

В 2005 году российские учёные совместно с японскими построили 2-кубитный процессор на сверхпроводящих элементах.

В 2009 году физики американского национального института стандартов и технологий создали программируемый квантовый компьютер, который состоял из 2-х кубит.

В 2012 году IBM достигла прогресса в реализации вычислений при помощи сверхпроводящих кубитов. В этом же году ученым нескольких американских университетов удалось построить 2-кубитный компьютер на кристалле алмаза.

Лидером в создании квантовых устройств является Канадская компания  D-Wave System. С 2007 года D-Wave анонсирует создание таких квантовых компьютеров: 16 кубит, 28 кубит – в 2007 году, 128 кубит – в 2011 году, 512 кубит – в 2012 году, более 1000 кубит – в июне 2015 года.

Кстати, квантовый компьютер купить у компании D-Wave можно уже сегодня за 11 миллионов долларов

Такой компьютер уже купил Google, хотя и сам гигант интернета работает над созданием собственного квантового компьютера.

D-Wave квантовый компьютер не универсальный, а предназначен для решения одной определенной задачи – поиска минимума какой-либо очень сложной функции. Можно представить функцию в виде горной системы. Целью оптимизации является поиск наиболее глубокой долины в горной системе.

Задача на поиск минимальной функции очень важна для человечества и решает задачи  от поиска минимальных затрат в экономике  до анализа процессов фотосинтеза.

Google  сообщил, что компьютер D-Wave смог решить эту задачу (найти минимум функции) приблизительно в 100 миллионов раз быстрее, чем классический компьютер

Ученые полагают, активный выпуск квантовых компьютеров для решения конкретных задач можно ожидать уже через 10 лет. Универсальные же квантовые компьютеры вряд ли появятся в самом ближайшем будущем.

Если у Вас ещё остались вопросы, можете ознакомиться со статьёй Квантовый компьютер Википедия.

Будет ли служить квантовый компьютер заменой обычному?

Ответы на вопросы:

  • Будет ли служить квантовый компьютер заменой обычному?
  • Все ли операции квантовый компьютер выполняет быстрее обычного компьютера?

можно получить из этого видео (видео, 6 минут)

До встречи!

Желаю вдохновения, много сил для всех Ваших дел и проектов!

Сейчас для их воплощения есть много возможностей! Много открытой информации!

Алёна Краева

P.S.1 Если статья Вам понравилась, поделитесь информацией в  соц сетях с Вашими друзьями.

P.S.2 Пишите Ваши мысли и вопросы в комментариях. Пишите, какие вопросы по теме «Квантовая физика популярно», Вам интересны?

P.S.3 Подписывайтесь на блог — форма для подписки под статьёй. По теме «Квантовая физика популярно» готовится серия статей.

alenakraeva.com

КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР

ПЕРВЫЕ СВЕДЕНИЯ

Для того чтобы более или менее полноценно раскрыть суть квантовых компьютерных технологий, коснемся сперва истории квантовой теории.Зародилась она благодаря двум ученым, чьи результаты исследования были удостоены Нобелевских премий: открытие М. Планком кванта в 1918 г. и А. Эйнштейном фотона в 1921 г.Годом зарождения идеи квантового компьютера стал 1980 г., когда Беньофу удалось успешно продемонстрировать на практике правоту квантовой теории.Ну а первый прототип квантового компьютера был создан Гершенфельдом и Чуангом в 1998 г. в Массачусетском технологическом институте (MTI). Этой же группой исследователей созданы в два последующих года более совершенные модели.

Для неспециалиста квантовый компьютер – это что-то совершенно фантастическое по масштабам, это вычислительная машина, перед которой обычный компьютер все равно что счеты перед компьютером. И, разумеется, это что-то очень далекое от воплощения. Для человека, который связан с квантовыми компьютерами, – это устройство, общие принципы действия которого более или менее понятны, однако существует масса проблем, которые следует решить, прежде чем можно будет воплотить его «в железе», и сейчас множество лабораторий по всему миру эти препятствия пытаются преодолеть. В области квантовых технологий в прошлом уже были достигнуты успехи и частными компаниями, в том числе IBM и DWays.О новейших достижениях в этой области они регулярно сообщают и сегодня. В основном исследования выполняются японскими и американскими учеными. Япония в стремлении к мировому лидерству в области аппаратного и программного обеспечения расходует огромные средства на разработки в данной области. По сообщениям вице-президента Hewlett-Packard, до 70% всех исследований выполнены в стране восходящего солнца. Квантовые компьютеры являются одним из шагов их целенаправленной компании по завладению лидерством на мировом рынке.

Чем объясняется стремление к овладению этими технологиями? Их бесспорными весомыми преимуществами над полупроводниковыми компьютерами!

ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?

Квантовый компьютер – это устройство для вычислений, которое работает на основе квантовой механики.На сегодняшний день полномасштабный квантовый компьютер – это гипотетическое устройство, которое невозможно создать с учетом имеющихся данных в квантовой теории.

Квантовый компьютер, для вычисления использует не классические алгоритмы, а более сложные процессы квантовой природы, которые еще называют квантовыми алгоритмами. Эти алгоритмы используют квантовомеханические эффекты:квантовую запутанность и квантовый параллелизм.

Чтобы понять, зачем вообще необходим квантовый компьютер, необходимо представить принцип его действия.Если обычный компьютер работает за счет проведения последовательных операций с нулями и единицами, то квантовый компьютер использует кольца из сверхпроводящей пленки. Ток может течь по этим кольцам в разных направлениях, поэтому цепочка таких колец может реализовывать одновременно намного больше операций с нулями и единицами.Именно большая мощность является основным преимуществом квантового компьютера. К сожалению, эти кольца подвержены даже самым малейшим внешним воздействиям, в результате чего направление тока может меняться, и расчеты оказываются в таком случае неверными.

ОТЛИЧИЕ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА ОТ ОБЫЧНОГО

  • главным отличием квантовых компьютеров от обычных является то, что сохранение, обработка и передача данных происходит не с помощью «битов», а «кубитов» – попросту говоря «квантовых битов». Как и обычный бит, кубит может находиться в привычных нам состояниях «|0>» и «|1>», а кроме этого – в состоянии суперпозиции A·|0> + B·|1>, где A и B – любые комплексные числа, удовлетворяющие условию | A |2 + | B |2 = 1.

ТИПЫ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Можно выделить два типа квантовых компьютеров. И те, и другие основаны на квантовых явлениях, только разного порядка.

  1. компьютеры, в основе которых лежит квантование магнитного потока на нарушениях сверхпроводимости- Джозефсоновских переходах. На эффекте Джозефсона уже сейчас делают линейные усилители, аналого-цифровые преобразователи, СКВИДы и корреляторы.Эта же элементная база используется в проекте создания петафлопного (1015 оп./с) компьютера. Экспериментально достигнута тактовая частота 370 ГГц, которая в перспективе может быть доведена до 700 ГГц.Однако время расфазировки волновых функций в этих устройствах сопоставимо со временем переключения отдельных вентилей, и фактически на новых, квантовых принципах реализуется уже привычная нам элементная база - триггеры, регистры и другие логические элементы.

  2. Другой тип квантовых компьютеров, называемых еще квантовыми когерентными компьютерами, требует поддержания когерентности волновых функций используемых кубитов в течение всего времени вычислений - от начала и до конца (кубитом может быть любая квантомеханическая система с двумя выделенными энергетическими уровнями). В результате, для некоторых задач вычислительная мощность когерентных квантовых компьютеров пропорциональна2N, где N - число кубитов в компьютере. Именно последний тип устройств имеется в виду, когда говорят о квантовых компьютерах.

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ СЕЙЧАС

Но небольшие квантовые компьютеры создаются уже сегодня. Особенно активно в этом направлении работает компания D-Wave Systems, которая еще в 2007 году создала квантовый компьютер из 16 кубитов. Этот компьютер успешно справлялся с задачей рассаживания за столом гостей, исходя из того, что некоторые из них друг друга недолюбливали. Сейчас компания D-Wave Systems продолжает развитие квантовых компьютеров.

Группе физиков из Японии, Китая и США впервые удалось построить на практике квантовый компьютер по архитектуре фон Неймана - то есть с физическим разделением квантового процессора и квантовой памяти. В настоящий момент для практической реализации квантовых компьютеров (вычислительных машин, в основу которых положены необычные свойства объектов квантовой механики) физики используют разного рода экзотические объекты и явления - захваченные в оптическую ловушку ионы, ядерный магнитный резонанс. В рамках новой работы ученые полагались на миниатюрные сверхпроводящие схемы - возможность реализации квантового компьютера с помощью таких схем была описана в Nature в 2008 году.

Собранная учеными вычислительная машина состояла из квантовой памяти, роль которой выполняли два микроволновых резонатора, процессора из двух кубит, соединенных шиной (ее роль тоже играл резонатор, а кубиты представляли собой сверхпроводящие схемы), и устройств для стирания данных. При помощи этого компьютера ученые реализовали два основных алгоритма - так называемое квантовое преобразование Фурье, и конъюнкцию при помощи квантовых логических элементов Тоффоли:

  1. Первый алгоритм представляет собой квантовый аналог дискретного преобразования Фурье. Его отличительной особенностью является гораздо меньшее (порядка n2) количество функциональных элементов при реализации алгоритма по сравнению с аналогом (порядка n 2n). Дискретное преобразование Фурье применяется в самых разных областях человеческой деятельности - от исследования дифференциальных уравнений в частных производных до сжатия данных.

  2. В свою очередь квантовые логические элементы Тоффоли представляют собой базовые элементы, из которых, с некоторыми дополнительными требованиями, можно получить любую булеву функцию (программу). Отличительной особенностью этих элементов является обратимость, что, с точки зрения физики, среди прочего позволяет минимизировать тепловыделения устройства.

По словам ученых, созданная ими система обладает одним замечательным плюсом - она легко масштабируется. Таким образом, она может служить своего рода строительным блоком для будущих компьютеров. По словам исследователей, новые результаты наглядно демонстрируют перспективность новой технологии.

 

Назад: КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР

wiki.vspu.ru

большая игра на повышение. Лекция в Яндексе / Блог компании Яндекс / Хабр

Мы то и дело слышим, что не за горами эпоха активного использования квантовых вычислений, что такие системы уже скоро станут доступны специалистам, включая аналитиков данных. Но сколько осталось ждать на самом деле? Научный сотрудник Российского квантового центра Алексей Фёдоров вводит в курс дела и рассказывает, как идут дела с разработкой квантовых компьютеров.

Под катом — расшифровка и часть слайдов Алексея. Всем добрый день. Я хочу поблагодарить организаторов. Раз квантовые технологии стали темой обсуждения в таком формате, значит эта тема воспринимается, начинает звучать на достаточно высоком уровне. Такие компании, как Яндекс, — лидеры в IT-индустрии, и очень здорово, что в их повестке дня и в их сфере интересов появляется квантовая технология. Это некий мировой тренд. Я очень рад, что мы сегодня выступаем здесь.

Я работаю в Российском квантовом центре и представляю команду, которая в рамках Российского квантового центра занимается разработкой IT-продуктов. Квантовый центр стартовал как фундаментальный научный институт, но очень быстро в процессе развития стал заниматься прикладными исследованиями в сфере квантовых технологий, одно из них — квантовая криптография, проект, которым мы занимаемся. И наши спикеры — я, Евгений, Максим, Николай — мы все представляем эту команду, поэтому будем рады не просто формально поговорить о заявленной теме, но и повзаимодействовать с той точки зрения, что наши интересы довольно сильно перекрываются. Будем рады любым вопросам в сфере квантовых технологий, не ограничиваясь квантовыми компьютерами.

На свой центральный слайд я поместил эту картину. Знаете ли вы, что это за символ?

Это статуя, которая располагается рядом с Франкфуртской фондовой биржей и означает две стратегии того, как можно играть на рынке: на повышение и на понижение. Квантовый компьютер является краеугольной квантовой технологией, и сейчас к его развитию подключается не только государство как основной инвестор фундаментальных исследований, но и IT-компании, крупные производители информационных технологий. Они играют в этом смысле на повышение, вкладывают большие средства и усилия в разработку квантового компьютера, потому что видят в нем некую новую возможность для революции в информационных технологиях. И основной месседж моего доклада — то, почему квантовые технологии и квантовый компьютер — это очень круто, и почему он не просто является интересной и красивой идеей, а действительно предоставляет огромные возможности для развития всей индустрии IT.

Что я как человек, большую часть времени занимающийся физикой, слышал от специалистов по программированию и IT? Я слышал о следующих трендах.

Мы часто слышим о большом количестве новых стартапов или таких проектах уже существующих компаний, как интернет вещей, машинное обучение, big data и информационная безопасность. Эти тренды звучат везде, задают информационные поводы, однако за ними, кроме красоты алгоритмических решений, красоты математики, красоты программирования, стоит реальное железо. И это железо уже квантовое.

Если смотреть тренды развития не информационных, а квантовых технологий, то сейчас это переход от управления коллективными квантовыми явлениями, которые лежат в основе таких устройств, как транзисторы и лазеры, к управлению индивидуальными квантовыми свойствами.

Грубо говоря, лазер — управление большим количеством частиц света, большим количеством фотонов, а сейчас мы научились управлять светом, атомами, веществом на уровне отдельных микроскопических элементов. Такой тренд наблюдается год от года, возникает все больше экспериментов, предложений, которые используют законы о квантовой физике уже на уровне отдельных фундаментальных частиц материи. И здесь для меня самым восхитительным является то, что это не просто идет от желания познать фундаментальную науку, но и востребовано в технологических трендах.

Квантовые частицы позволяют построить компьютер, который будет решать свои задачи быстрее. Квантовые компьютеры позволяют построить системы коммуникации, которые будут лучше защищены от прослушивания. Квантовые технологии позволяют создать более миниатюрные сенсоры.

И все это лежит в основе таких применений, как GPS, будущие медицинские сенсоры, новые материалы, которые и востребованы в трендах информационных технологий.

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. Если вернуться в историю — все мы помним космическую гонку между СССР и США.

В квантовой гонке участвуют не только государства, но и частные компании. Суммарно Google, IBM, Intel и Microsoft вложили около 0,5 млрд долларов в развитие квантовых компьютеров за последнее время, создали крупные лаборатории и исследовательские центры.

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

Здесь представлена карта квантовых центров мира, которые являются точками компетенции и точками роста. В 2011 году на этой карте появился Российский квантовый центр, который я представляю. Это фундаментальный научный институт, который превратился в экосистему, где фундаментальные исследования сосуществуют и стимулируют развитие прикладных технологий.

Однако сегодня мы говорим о квантовом компьютере, и хочется в рамках этой лекции создать некий контекст, позволяющий понять, почему квантовые компьютеры вообще интересны и нужны.

Здесь представлен всем известный закон Мура, который выражает некий тренд роста производительности уже существующих компьютеров. Мы знаем, что год от года компьютеры становятся мощнее, однако за этим стоит уменьшение элементной базы, ее миниатюризация. Благодаря нашему прогрессу в создании транзисторов мы можем создавать их всё меньше, и располагать всё плотнее на элементарную единицу площади.

Но, конечно, у этого тренда есть фундаментальный предел. Он обусловлен физикой.

Вряд ли мы сможем создать транзистор размером с один атом. Для этого требуется хотя бы несколько атомов. Насколько я знаю, самый миниатюрный в мире транзистор состоит из семи атомов. Однако если закон Мура будет продолжаться так, как он продолжается, то в 2020 году нам потребуется создавать компьютеры с транзистором в один атом. И это кажется невозможным.

Что здесь можно сделать? Можно наращивать производительность за счет других технологий, за счет облачных вычислений, распараллеливания, придумать какую-то элементную базу, которая позволит максимально близко подобраться к пределу закона Мура, то есть создать самый маленький в мире транзистор. Это очень классная задача.

Однако даже если мы подойдем очень близко к закону Мура, у нас останутся задачи, которые классический компьютер решает очень плохо. Не мне в среде специалистов по IT об этом говорить, но приведу примеры нескольких задач.

Первая — задача оптимизации поиска. Она достаточно плохо решается на классических компьютерах.

Вторая, наиболее близкая мне и важная — моделирование сложных физических систем. Например, используя моделирование из первых принципов, очень тяжело промоделировать какую-то достаточно сложную физическую систему. Это требует огромного количества ресурсов.

Есть разные прикладные задачи, которые для широкой аудитории кажутся достаточно отдаленными от практики, такие как разложение на простые множители. Однако всем известна их фундаментальная важность для различных технологий.

И даже если мы будем подбираться близко к пределу закона Мура, то такие задачи решить мы не сможем.

Конечно, сможем. Но для этого будет требоваться много времени.

Хотелось бы получить физическую систему, которая позволит решать эти задачи более оптимальным образом. Оказывается, она существует, и возникает в контексте квантового компьютера.

Я подсмотрел в нобелевских лекциях Андрея Гейма, одного из создателей графена, такую интересную идею. Он рассказывал, как он пришел к идее заняться исследованиями в области графена, пользуясь мысленными облачками. Он о чем-то слышал, это как-то обрабатывалось у него в голове, и когда он накопил достаточно мысленных облачков, у него создалась концепция, что заниматься двумерным углеродом и графеном очень интересно.

Я считаю, что к концепции квантового компьютера привели три мысленных облачка.

Первое. Непонятно, как быть с вычислительно сложными задачами. Неужели нам всегда будет действительно трудно промоделировать какую-то физическую систему? Или действительно ли задача разложения на простые множители не имеет достаточно эффективного классического алгоритма?

Второй момент более физичный. Он связан с исследованием вопроса о том, что за ограничения квантовая физика как одна из наиболее точных физических теорий накладывает на процесс вычислений. Например, Ричардом Фейнманом и Чарльзом Беннеттом исследовался вопрос, какое минимальное количество энергии или теплоты выделяется при совершении одной элементарной операции. Можно ли создать компьютер, наиболее продуктивный и наиболее экономный с точки зрения выделения энергии? Как создать самый миниатюрный компьютер?

Третий вопрос больше к математике. Он связан с исследованием вопроса о том, какие интересные свойства приобретает теория информации, если перейти от описания классических объектов в классической теории вероятности к описанию квантовых объектов, к квантовой теории информации. Изображенная здесь банкнота иллюстрирует идею квантовых денег. Это одна из первых концепций, которая подразумевает использование каких-то практических информационных технологий. Дело в том, что если создать банкноты, в которых подлинность будет обеспечиваться созданием специальных квантовых состояний, то за счет специфических свойств квантовых систем такие банкноты нельзя будет подделать.

Второй портрет здесь — портрет нашего соотечественника Александра Холево. Он известен во всем мире как создатель одной из фундаментальных теорем — квантовой теоремы информации или теоремы Холево. Здесь, в основании квантовой теории информации, нам есть чем гордиться. Российские исследователи сохраняют хорошую традицию интересных публикаций, интересных результатов в этой области.

Что дает квантовая физика? Какие интересные следствия и фишки у нее есть, которые могли бы быть полезны с точки зрения теории информации или будущих вычислений?

В классическом мире мы привыкли думать о том, что если у нас есть состояние какой-то физической системы, то оно должно быть однозначно чем-то задано. Если у нас есть точка в пространстве, то мы знаем, что система находится в этой точке пространства. В квантовой физике такое понятие ввести нельзя. Дело в том, что квантовая система, если она не наблюдается, находится в суперпозиции всех возможных состояний. В частности, если у нее есть два допустимых состояния, орел и решка, то до тех пор, пока мы не измерили это состояние, это и орел, и решка одновременно. И только измерение дает нам гарантированный ответ, в каком состоянии находится система. До измерения система находится в состоянии суперпозиции.

Второе свойство — свойство квантовой запутанности. В квантовом мире частицы могут проявлять очень сильные корреляции, то есть их свойства могут быть очень сильно завязаны между собой, даже если эти частицы достаточно сильно пространственно удалены. Объясняя концепцию квантовой запутанности, часто приводят пример мысленного эксперимента, когда у нас была какая-то частица со спином 0, она распадается на две частицы, одну мы оставляем у себя в лаборатории, вторую отправляем в Туманность Андромеды, и, измеряя спин первой частицы, мы точно узнаем спин частицы в Туманности Андромеды. Это и есть в некотором смысле проявление свойств квантовой запутанности, сильных квантовых корреляций, которые могут быть полезны с точки зрения вычислений.

Третья вещь — хрупкость. Квантовые состояния по сравнению с классическими являются достаточно хрупкими. И процесс измерения как раз и является процессом возмущения. Вопрос в том, детерменированно ли этот процесс возмущения происходит. Это один из ключевых челленджей на пути к созданию квантовых технологий. Очень сложно создать большую квантовую систему, элементы которой будут, с одной стороны, достаточно хорошо взаимодействовать между собой и при этом будут достаточно хорошо защищены от окружения, которое может их разрушить.

Еще один интересный аспект — теорема о запрете клонирования. Это запрещающая теорема. Если в квантовом мире есть произвольное квантовое состояние, заранее неизвестное, то его нельзя скопировать, в отличие от классической информации. Если есть классический сигнал, его всегда можно скопировать. В квантовом мире произвольное квантовое состояние скопировать нельзя. И это радикальное отличие квантовой информации от классической.

На чем строится концепция квантовых вычислений? В принципе, можно в определенной степени абстрагироваться от сложных законов квантовой физики и представлять себе концепцию квантовых вычислений следующим образом.

Система битов, которая нам привычна в классических компьютерах, заменяется на систему кубитов. Это двухуровневая квантовая система или система типа орел-решка, когда есть два возможных состояни, и до момента измерения система находится в суперпозиции: одновременно и в этом состоянии, и в этом с какой-то вероятностью.

Все биты, которые у нас есть, заменяются на кубиты. Все логические элементы из классических процессов заменяются на квантовые процессы, и результат вычислений получается путем измерений. Таким образом в квантовом компьютере получается обработка сразу всех возможных вариантов реализации, то есть на вход вы подаете не один бит, не ноль или единицу, а все возможные комбинации — и проводите все операции над этой суперпозицией. В результате получается некое квантовое состояние. Производите его измерение и получаете ответ.

В принципе, на понятийном уровне это вся концепция квантовых вычислений. Биты заменили на кубиты, классические операции заменили на квантовые операции, в результате получаем то, что нужно измерить, многократно измеряем и получаем ответ.

Это то, из чего могут состоять кубиты. Дело в том, что кубиты могут состоять из огромного многообразия различных физических систем. Мы привыкли, что бит кодируется за счет уровня напряжения. В квантовой физике есть многообразие физических систем. Это и частица света, и частица материи, и ядерные спины, и твердотельные системы, которые могут находиться в таком интересном состоянии суперпозиции. Они обладают различными преимуществами и различными недостатками. Вот ключевой на сегодняшний день факт: никто до конца не понимает, на какой физической, элементной базе будет построен квантовый компьютер в итоге. Есть уверенность в том, что так называемые твердотельные системы или системы со сверхпроводниковыми кубитами являются одними из лидеров, однако около месяца назад проводилось соревнование между двумя квантовыми компьютерами, построенными на разных физических принципах, и оно не выявило какого-то радикального преимущества одной системы над другой. Одни системы лучше масштабируются, другие легче контролировать, третьи лучше защищены от декогеренции, от процесса взаимодействия с окружением.

Давайте в рамках лекции ограничимся двумя возможными картинами. Первая — поляризация света. Это очень просто себе представлять, частица света — очень простая двухуровневая физическая модель, и она очень популярна в другом приложении квантовых технологий: в так называемых квантовых коммуникациях. Вторая картина — спин. Спин может быть вверх или вниз, это и есть кубит. До тех пор, пока мы не измерили, это состояние суперпозиции. Плюс-минус одна вторая.

То, о чем я уже сказал, — интересный процесс, который возникает в результате квантовых вычислений. Возникает новое квантовое состояние.

На вход подали некоторую суперпозицию нуля и единицы, провели с ней многократные процедуры. На выходе есть суперпозиция нуля и единицы.

Чтобы получить ответ, нам нужно провести измерение, и его нужно проводить многократно. Квантовые вычисления подразумевают, что многократно на вход подается некоторое заранее известное квантовое состояние. Над ним производится процедура преобразования и потом измерения. И измерение в итоге дает ответ.

Эта процедура квантовых измерений достаточно сложная. Это холиварная тема даже для специалистов в области квантовой физики. Обращаю ваше внимание, что у нас есть регулярная рубрика на сайте N+1, которая называется «Квантовая азбука», и мы там обсуждаем такие тонкие вопросы, в том числе вопросы квантовых вычислений.

Зачем нам все это нужно? Что поможет нам сделать квантовый компьютер, какие интересные фишки он нам даст? Для чего вся эта свистопляска с заменой битов на кубиты, заменой логических операций и итоговых результатов вычислений? Что это дает?

Это дает преимущества в целом классе задач. Самая интересная для меня задача, которую квантовый компьютер решает хорошо, — задача факторизации дискретного логарифмирования, поскольку она лежит в основе систем с ассиметричной криптографией. И каждый раз, когда мы покупаем что-то в интернете, наши данные кредитной карты шифруются при помощи алгоритмов ассиметричной криптографии, криптографии с открытым ключом. Они, в свою очередь, базируются на таких задачах, в частности, как дискретное логарифмирование и разложение на простые множители. И в этом смысле квантовый алгоритм Шора — самый главный и самый интересный пример квантового алгоритма, потому что он решает практическую задачу экспоненциально быстрее, чем классический компьютер. В этом смысле квантовый компьютер — угроза существующей инфраструктуре информационной безопасности.

Как только он появится, любую систему открытого распределения ключа, которая базируется на таких задачах, можно будет взломать. С одной стороны, это плохо, это может привести к революции, и часто квантовый компьютер называют информационной бомбой XXI века. Но с другой стороны, на данный момент беспокоиться очень сильно не нужно, потому что алгоритм Шора требует универсального квантового компьютера, который может решать любую алгоритмически формулируемую задачу, и это очень сложно. Да, это дает колоссальные преимущества, но именно из-за факта, что квантовые системы хрупкие к внешнему воздействию, очень тяжело создать систему из достаточно большого количества кубит, чтобы над ними проводить все операции и потом измерения.

Квантовый компьютер, чтобы обеспечить, например, взлом систем с ассиметричной криптографией, должен обладать достаточным количеством кубит, работающих в таком квантовом режиме. И он требует создания эффективных методов управления этими квантовыми системами.

Сегодня об универсальном квантовом компьютере вам расскажет Евгений Киктенко именно в контексте алгоритмов. Какие алгоритмы интересны для квантового компьютера с точки зрения приложения? А Максим Ануфриев — с точки зрения решения задачи машинного обучения на универсальном квантовом компьютере.

Универсальный квантовый компьютер — сложная задача, и это очень важно понять. Нет даже однозначной временной оценки, когда он появится. В нынешнем году вокруг этой темы много хайпа, даже первый выпуск журнала Nature вышел, одна из статей — «Квантовые компьютеры выпрыгивают из лаборатории» с прогнозом, что уже в 2017 году может появиться какой-то коммерческий квантовый компьютер, способный решать действительно полезные задачи. Причем прогноз настолько оптимистичный, что якобы появится полноценный универсальный коммерческий квантовый компьютер для решения практических задач.

Хотя это очень спорный вопрос. Оценки экспертов варьируются от 5 до 25 лет. И в этом смысле очень сложно сказать, когда квантовый компьютер реально возникнет.

Квантовый компьютер, который существует уже сейчас, построила компания D-Wave. Он хорош для решения очень узкого класса задач, интересных сегодня: задач машинного обучения и искусственного интеллекта. Такой компьютер очень легко масштабируется, но он работает не полностью в квантовом режиме и не может решить любую произвольно заданную задачу. Он дает ускорение только в определенном классе задач за счет очень любопытного механизма, о котором сегодня расскажет Николай Пожар, именно в контексте обучения не универсального квантового компьютера, а на примере D-Wave.

Есть еще одна разновидность квантовых компьютеров, которая называется квантовым симулятором. Он предназначен для решения еще более специфического класса задач — именно для моделирования других типов физических систем. Здесь достаточно большие перспективы — например, для поиска высокотемпературных сверхпроводников. Это материалы, которые могут проводить электрический ток без потерь при комнатной температуре. Пока теория для таких систем известна только для очень низких температур. Есть экспериментальные исследования, которые вдруг обнаруживают какие-то материалы, проводящие ток при разных температурах, например при –100 градусах Цельсия. Однако полноценной теории высокотемпературных сверхпроводников нет, потому что это вычислительно сложная задача. Квантовые симуляторы призваны воспроизводить некоторые свойства таких физических систем и давать некоторую подсказку, в каком направлении такие материалы можно искать. Но симуляторы также не являются универсальными квантовыми компьютерами.

Как я уже говорил, в исследования в области квантовых компьютеров уже вкладывают IT-компании. Очень классный пример — компания Google, которая просто переманила к себе Джона Мартиниса, одного из ведущих специалистов в области квантовых вычислений на сверхпроводящих кубитах. Джон Мартинис одновременно руководит несколькими направлениями. Одно из них — создание полноценного универсального квантового компьютера. Другое — исследование существующего квантового компьютера компании D-Wave и поиск тех задач, в которых он дает преимущество.

Кстати, Джон Мартинис будет в этом году на конференции Российского квантового центра. Там будет открытая лекция, где он о квантовом компьютере, который разрабатывается в Google, может рассказать просто всё.

Другой большой игрок — компания IBM. Она недавно анонсировала свою открытую онлайн-платформу для работы с их пятикубитным квантовым компьютером. В этом смысле программы для квантового компьютера может писать уже кто угодно, но, конечно, его потенциал ограничен тем, что кубитов достаточно мало.

Другие игроки на этом рынке — Microsoft и Intel, и у них выстрел с наиболее длинным прицелом — создание антопологического квантового компьютера. Из-за декогеренции, из-за того, что окружение вносит ошибки в процесс квантовых вычислений, часть ресурсов квантового компьютера нужно тратить на их исправление. Топологические квантовые системы позволяют избежать этого. На данный момент это очень фундаментально сложная научная концепция, за которой стоит достаточно много интересной математики. Это очень сильно отдалено на данный момент от какой-либо практической реализации. В частности, предсказываемые топологические состояния материи, которые интересны с точки зрения вычислений, еще не были обнаружены в эксперименте. Однако за базовые исследования в области следствий топологий для физики в 2016 году была присуждена Нобелевская премия.

Очень интересен следующий факт: мы привыкли, что классический компьютер — фактически одна и та же система, твердое тело, отвечающее за всю его функциональность. Мы и память, и вычисление проводим, фактически, на одной элементной базе. Однако квантовый компьютер позволяет нам сделать так называемую гибридную систему, которая будет брать от природы, от различных форм квантовой материи самое лучшее. Например, известно, что процессоры на данный момент, кажется, лучше всего строить с помощью сверхпроводниковых кубитов. Все интерфейсы, все то, благодаря чему квантовые компьютеры и их различные элементы будут общаться между собой, можно строить при помощи фотонов — частиц света. Это наилучший агент для передачи информации.

Конечно, в процессе вычисления иногда нужно хранить промежуточные результаты, потом проводить с ними дальнейшие операции. Лучшие показатели с точки зрения хранения квантовых состояний показывают атомные системы. Поэтому квантовый компьютер — большая и интересная фундаментальная задача, которая позволит скомбинировать, взять от природы лучшее и построить наиболее привлекательную, производительную и интересную гибридную систему.

В данный момент наша основная деятельность — работа не над квантовым компьютером, а над системой квантовых коммуникаций в рамках проекта QRate. И о квантовых коммуникациях мы еще будем рады поговорить. Квантовые коммуникации — щит, позволяющий нам защититься от меча квантового компьютера, создать систему распределения ключей, стойкость которых не зависит от вычислительных ресурсов злоумышленника. Спасибо за внимание.

habr.com


Читайте также
  • Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
    Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
  • Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
    Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
  • Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
    Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
  • Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
    Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
  • Найден источник водородных газов для нашей Галактики
    Найден источник водородных газов для нашей Галактики