Технологические прорывы 2017 года. Когда появятся квантовые компьютеры. Когда появятся квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры. Как людям научиться с ними разговаривать. Фото | Технологии
Мир микрочастиц подчиняется другим законам. В нем невозможно, например, одновременно посчитать координату и скорость объекта. Можно представить, что частица «размыта» в какой-то области пространства — находится во всех возможных состояниях одновременно. Очень показателен знаменитый парадокс «кота Шрёдингера» — в нем попытка применения правил квантовой физики к нашему макромиру приводит нас к абсурдной ситуации — кот, находящийся в коробке, и жив и мертв одновременно!
В итоге единица информации в квантовом компьютере — кубит. Он может находиться во всех своих состояниях (1 и 0) одновременно. И это позволяет обрабатывать куда больше информации, чем в классической двоичной системе, потому что регистр из двух кубитов может находиться в четырех разных состояниях одновременно: 00, 01, 10 и 11. В итоге вычисления на квантовом компьютере производятся со всеми возможными вариантами одновременно. И нашей задачей становится лишь провести в конце такие преобразования, которые позволят при измерении получить вариант, наиболее точно удовлетворяющий требованиям поставленной задачи.
Например, если необходимо сравнить несколько цилиндров и выбрать среди них самый длинный, то в классических вычислениях компьютер сначала измерит все объекты по очереди, потом сравнит полученные данные и после этого уже выдаст, какой цилиндр длиннее. В случае с квантовыми вычислениями все цилиндры будут сравниваться вместе, и самым длинным окажется тот, который сильнее всех «торчит». Подобный подход реализует алгоритм Гровера.
Благодаря такой разнице при переходе на квантовые вычисления происходит просто колоссальное увеличение скорости расчетов. Это позволит в дальнейшем совершать нерешаемые даже для самых современных суперкомпьютеров вычисления! Например: есть задача разложить число, содержащее 400 знаков, на простые множители. Механизмы квантовых вычислений позволяют уменьшить количество операций при подсчете этой задачи с нынешних 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (не пытайтесь посчитать) до 64 000 000.
Практическое применение
Подобные вычисления — не случайная выдумка для красивого примера, квантовый параллелизм уже применим для широкого спектра задач. Для квантового компьютера некоторые современные алгоритмы криптографии, применяемые в наше время, окажутся простой игрушкой, взламываемой за несколько минут. Эксперты прогнозируют, что «падение» многих современных систем защиты данных произойдёт в тот момент, когда появится универсальный квантовый компьютер, способный работать с 50+ кубит, сохраняя состояние квантов не подверженным искажению шумами в течение нескольких минут.
Пока квантовые компьютеры уже могут оперировать десятками кубит, но время их жизни ограничивается десятками микросекунд. Это не позволяет проводить на них сложные вычисления, поскольку они требуют больше времени, чем способен «просуществовать» кубит. Если же совершать промежуточные операции по вводу-выводу данных, то все преимущества квантовых вычислений сойдут на нет. Предвидя их развитие, инженеры уже ведут активное развитие постквантовой криптографии — набора протоколов и алгоритмов, стойких к атакам даже с использованием квантовых вычислителей.
Разница в вычислительных способностях так огромна, что все современные компьютеры по сравнению с квантовыми практически одинаково медленны — от самых первых вычислительных машин на лампах до современных суперкомпьютеров. Достигается это другим подходом к решению определенного класса задач. Справедливости ради надо отметить, что складывать и умножать числа пока заметно проще и быстрее на традиционных компьютерах, квантовые на таких примерах проигрывают.
Языковые трудности
Наиболее известное в мире устройство, проводящее квантовые вычисления, — это D-Wave, первый «аналоговый квантовый компьютер», ориентированный на крайне узкий круг задач, но при этом его мощность составляет 2000 кубит. Один из полноценных, универсальных квантовых компьютеров, который можно использовать практически для любых нужд, — IBM Q. Компания работает с версией на 16 кубит (17 — для корпоративных клиентов), а на выставке CES показала 50-кубитовый прототипа.
Программировать квантовые вычислительные системы можно уже сейчас — IBM прямо сейчас предоставляет «облачный» сервис и пакет sdk для разработки.
IBM Quantum Experience является открытой платформой, на базе которой можно разрабатывать квантовые алгоритмы и отлаживать их на реальном 5- или 16-кубитном компьютере. Чтобы программировать для D-Wave, пользователям придется скачать на свой компьютер специальный софт.
Одна из главных проблем, которая стоит перед квантовыми вычислениями, — это отсутствие единых стандартов разработки. Грубо говоря, из-за того что квантовые компьютеры находятся в начале своего развития, программировать всё приходится с нуля «руками» — примерно как в начале развития ЭВМ, только без физического воздействия на компоненты.
Для понимания: в настоящее время в обычном компьютере вычисления производятся через логические преобразования И, НЕ и ИЛИ над битами, которые называются гейтами. Благодаря многочисленным компьютерным языкам, программистам не приходится задумываться о взаимодействии отдельных битов. В квантовых вычислениях примерно аналогичная история. Но проблема в том, что нет универсальных инструментов, и сейчас, разрабатывая новый алгоритм, программисту приходится заново реализовывать часто встречающиеся конструкции, такие как сложные гейты и преобразования.
По мере развития компетенций в области квантовых вычислений планируется создание библиотек универсальных гейтов для упрощения и ускорения создания новых алгоритмов.
Как бы то ни было, мы пока находимся в самом начале квантовых вычислений. Если сравнивать с классическими компьютерами, то мы где-то на уровне 30–40-х годов XX века, когда только появились схемы на вакуумных лампах, а одна ЭВМ занимала половину комнаты, вторую — её обслуживающий персонал. Но, учитывая темпы развития этой технологии, которые наблюдаются, развитие квантовых вычислений будет происходить гораздо быстрее, чем нынешних компьютеров. И те, кто начинает работу в этом направлении сейчас, уже через 3–5 лет смогут эффективно использовать квантовые вычисления.
Впрочем, пока эксперты не берутся давать точного прогноза, когда квантовые компьютеры смогут помочь в решении некоторых неразрешимых на данный момент задач, как минимум, потому, что человечество упирается в нехватку научных знаний. Ученые пока лишь говорят о том, что на полноценную квантовую революцию уйдет минимум десятилетие.
4 главных вопроса о квантовых компьютерах | Futurist
Новые задачи требуют все более сложных вычислений, в то время как многие вычислительные алгоритмы несовершенны. Например, при подготовке алгоритмов искусственного интеллекта, большая часть информации теряется из-за вычислительных ограничений, что делает их менее эффективными. Квантовые компьютеры позволят нам справиться со сложными задачами. Существуют ли квантовые компьютеры, как они работают и какие проблемы с ними возникают – в материале "Футуриста"
Что такое квантовый компьютер и зачем он нужен?
Квантовый компьютер –это вычислительное устройство, которое для передачи и обработки данных использует явления квантовой физики, а не классические алгоритмы. Обычные компьютеры работают по принципу вычислительных машин Тьюринга – с битами, которые находятся в одном из двух состояний: 0 или 1. У квантовых компьютеров таких ограничений нет: информация в них зашифрована в квантовых битах (кубитах), которые способны находиться в суперпозиции — быть одновременно и 0 и 1. Представьте себе сферу, которая состоит из бесчисленного множества точек. Ее северный и южный полюса — это "0" и "1", а все остальные точки – это промежуточные значения. Вся сфера целиком и будет суперпозицией. У кубита в принципе не может быть определенного значения – оно появляется в момент измерения.
Сфера Блоха. Состояние кубита — вектор из центра сферы, конец которого лежит на ее поверхности. Пробегая все возможные состояния, конец этого вектора дает множество значений, которые может принимать отдельный кубит. При измерении кубита мы получим либо "1", либо "0" - проекцию состояния кубита на вертикальную ось. Результаты выпадают с определенной долей вероятности: например, 20% – "1", 80% – "0" или наоборот, в зависимости от того, выше или ниже экватора сферы лежал вектор состояния кубита.
Это свойство кубитов отчасти иллюстрирует знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера. Распад атома запускает механизм, который убивает кота, заключенного в ящик. Но из-за того, что за час атом может как распасться, так и не распасться с вероятностью 50%, мы не знаем, жив кот или мертв. Мы узнаем это, только когда мы откроем ящик. Как писал ученый, эта система "смешивает в себе или размазывает живого и мертвого кота в равных долях" – чего в обычном понимании произойти не может. Но квантовая физика позволяет это сделать.
В квантовом регистре каждое возможное значение находится в суперпозиции, тогда как классический регистр может иметь только одно значение в данный конкретный момент времени (из 2 возможных). Система из 51 кубита имеет диапазон возможных значений 251. Это значительно отличается от классического регистра, где диапазон возможных значений 102 (2*51) соответственно.
Благодаря огромному количеству возможных состояний кубита, квантовый компьютер может выполнять несколько вычислений одновременно, в то время как машина Тьюринга – только одно. Допустим, вам нужно провести операцию над каждым из 4 возможных чисел в регистре из 2 битов на обычном компьютере. Вам придется перебирать каждое значение — то есть, вам понадобится 4 шага. В квантовом компьютере с регистром из 2 кубитов задача будет решена за один шаг, ведь действие производится сразу над всеми числами регистра.
Носителями информации выступают элементарные частицы: атомы, ионы, фотоны или электроны, имеющие два квантовых состояния. Проблема в том, что в квантовой физике "измерение" означает "изменение", необратимое и непредсказуемое. К счастью, квантовая механика знает способы обойти эти измерения и передать состояние кубита сразу, без потерь.
Квантовые системы нужны для работы с большими данными, так как эти задачи требуют перебора огромного количества вариантов. Также квантовые компьютеры помогают воссоздать динамику сложных систем и тем самым упростить расчеты свойств отдельных молекул, секвенирование ДНК, а также поиск новых лекарств и материалов. Например, чтобы рассчитать динамику молекулы метана (Ch5), необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Ни один компьютер пока не может справиться с этой задачей.
Какова природа вычислений?
Квантовое вычисления использует особый физический ресурс: квантовую запутанность. Это позволяет в некоторых операциях достичь поразительного выигрыша во времени. Две частицы, электрон или фотон, которые одновременно испускает один и тот же источник, находятся в так называемом запутанном (или сцепленном) состоянии. Они несут одновременно правую и левую поляризации, но в момент измерения они принимают определенную поляризацию – причем всегда будут противоположны друг другу. То есть, если мы смотрим на один фотон, и он принимает левую поляризацию, то у другого фотона будет правая поляризация – и наоборот. Предсказать, какую поляризацию примет та или иная частица, невозможно.
Альберт Эйнштейн считал квантовую запутанность нелепой выдумкой и называл ее «жутким действием на расстоянии». Он предложил разнести эти частицы на большое расстояние. Если мы наблюдаем за одним из фотонов, то второй фотон должен получить информацию о факте измерения, чтобы сменить свою поляризацию. В теории относительности это происходит не сразу, а по прошествии некоторого времени, иначе нарушится главное правило — скорость передачи информации превысит скорость света. Но в квантовой механике второй фотон должен получить информацию моментально — иначе в какой-то момент поляризация частиц будет одинакова. Это противоречие назвали парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс). Физики долго спорили, как его разрешить. В итоге решили, что смена поляризации — это случайный процесс, и никакой передачи информации не происходит, поэтому принципы относительности формально не нарушаются.
В 1993 году в IBM Research был проведен эксперимент, известный как квантовая телепортация. Ученые из IBM показали, что квантовая запутанность не только является реальным явлением, но и может быть превращена во что-то гораздо более полезное, чем кто-либо осмеливался предположить. Для передачи информации приходится измерять состояние частиц — но по законам квантовой физики измерение разрушает это состояние, и его невозможно восстановить. Телепортация использует явление квантовой запутанности и дает возможность перенести некое состояние, обладая минимальной информацией о нем — не «заглядывая» в него и тем самым не нарушая его.
Допустим, нам нужно передать состояние фотона А получателю — то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении другая частица в том же самом состоянии. Как это сделать? В самом общем виде, мы просто располагаем две запутанные частицы В и С у отправителя и получателя соответственно. Частица В будет как бы сканировать и запечатлевать состояние частицы А, а частица С будет приобретать ровно противоположное состояние.
Подробнее — в видео от Minute Physics.
Представьте, что вам нужно передать состояние "живой-мертвый" кота Шредингера мухе, которая находится на Луне. Мы помним, что кот в ящике находится в суперпозиции "живой-мертвый"1. Для передачи нам понадобится две мухи: одна будет находиться на Луне и принимать состояние кота, а вторая — передавать. Одна из мух живая, другая мертвая — но мы не знаем, какая именно. Они тоже находятся в суперпозиции: живая муха на Земле и мертвая муха на Луне — и наоборот. Муху-передатчик мы кладем в ящик с котом, чтобы связать их в единую систему.
Если мы просто откроем ящик, то суперпозиция разрушится: кот и одна из мух (неизвестно, какая именно) будут мертвыми, а другая муха останется в живых — и наоборот. Телепортации не произойдет. Поэтому нам нужен способ заглянуть в ящик косвенно, чтобы суперпозиция разрушилась лишь частично, приведя нас к одному из четырех возможных состояний. Мы будем задавать косвенные вопросы о состоянии животных в ящике: 1) они оба в одинаковом состоянии? 2) только один из них мертв? 3) как минимум, один из них мертв? 4) умер только кот? Поодиночке эти вопросы ничего не стоят. Вместе они дадут нам целый комплекс возможных вариантов: Жж, Мм, Мж, Жм (кот - прописные, муха - строчные буквы)2.
Вспоминаем о мухе, которая находится на Луне. Ее состояние будет ровно противоположным состоянию мухи, которая на Земле. Таким образом, у нас образовалась система из трех элементов3. Если мы проведем алгебраические преобразования этой системы4, мы обнаружим, что лунная муха будет также находиться в суперпозиции своих возможных состояний, которые будут очень похожи на состояния кота. Однако для полноценного завершения телепортации лунной мухе необходимо получить некоторые данные о состоянии кота и земной мухи. Эти данные — ответ на один из косвенных вопросов, который помогает лунной мухе провести необходимые преобразования5. Этот ответ отправляется по классическому каналу связи, который используется параллельно с квантовым. В результате телепортации первоначальное состояние кота и земной мухи разрушится — невозможно создать точную копию квантового состояния, не разрушив оригинал. Но зато муха на Луне получила исходное состояние кота. А вам остается лишь заменить мух и кота на фотоны, атомы, электроны или ионы.
Существуют ли квантовые компьютеры?
Да. D-Wave, которая использует урезанную форму квантовых вычислений (квантовая нормализация или отжиг), продает коммерческую версию своей машины. Известны мелкие квантовые компьютеры Google и IBM, причем IBM позволяет людям получать доступ к своему компьютеру через облако (проект Quantum Experience для компьютера с пятью кубитами). Также сейчас ведется работа над первым коммерческим сервисом квантовых облачных вычислений — IBM Q. Для него разработали 17-кубитное устройство с низким уровнем ошибок. Позднее работу сервиса будет обеспечивать универсальный квантовый компьютер с примерно 50 кубитами.
В июле 2017 года российско-американская группа физиков под руководством Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра и профессора Гарвардского университета, объявила о создании программируемого 51-кубитного квантового компьютера. На сегодня это самая сложная подобная система из существующих.
Постепенно появляются квантовые нейросети. А физики из Российского квантового центра впервые запустили квантовый блокчейн — инструмент для создания распределенной базы данных, в которой практически невозможно подделать записи.
Однако пока квантовые компьютеры находятся лишь на первых стадиях своего развития. Пятикубитные системы может моделировать и обычный настольный компьютер. Кроме того, для надежной работы квантового компьютера требуется очень низкий уровень ошибок. Эти ошибки возникают из-за декогеренции (распада суперпозиции), или из-за взаимодействия кубитов друг с другом. Из-за этого наращивать число кубитов очень сложно. Лишь недавно ученые научились обнаруживать такие ошибки автоматически: в 2015 году IBM разработала четырехкубитный квантовый чип специально для этой задачи.
Опасны ли они?
Криптологи используют ограничения нашей нынешней технологии, чтобы обеспечить безопасность нашей информации и транзакций. Появление квантовых алгоритмов вычислений может сделать наши нынешние стандарты шифрования неэффективными.
Однако эта проблема выглядит надуманной. Квантовая криптография существует еще с начала 90-х. Агентство национальной безопасности Соединенных Штатов начала переходить на квантово-безопасную криптографию. Существует также ряд частных компаний, которые внедряют квантовые системы безопасности. ID Quantique разрабатывает такие системы с 2007 года. В этом году она планирует установить более 200 систем в 15 различных организациях.
1 Исходное состояние кота: (А|Ж>+B|М>)
2 Алгебраически это будет выглядеть так:
Жм = НЕТ (кот умер не один) - ДА (они оба в одинаковом состоянии) = (Жж + Мм+ Жм) - (Жж + Мм)
Жж = ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (мертв только один) - ДА (как минимум, один из них мертв) = (Жж + Мм) + (Жм+Мж) - (Мм+ Жм+ Мж)
Мж = ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (только один из них мертв) - НЕТ (кот умер не один) = (Жж+ Мм) + (Жм + Мж) - (Жж + Мм+ Жм)
Мм = ДА (как минимум, один из них мертв) - ДА (только один из них мертв) = (Мм+ Жм+ Мж) - (Жм + Мж)
3 Общее состояние системы из трех элементов:
(А|Ж> + B|М>) * (|м>|ж> + |ж>|м>).
Первая скобка — это все возможные состояния кота, вторая — все возможные состояния мух. Если раскрыть скобки, получится следующее выражение::
А|Ж>|ж>|м> + А|Ж>|м>|ж> + B|М>|ж>|м> + B|М>|м>|ж>
Как мы видим, вся система теперь связана. Переведем ее в косвенные вопросы:
A(ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (мертв только один) - ДА (как минимум, один из них мертв)) * |м>
+ A(НЕТ (кот умер не один) - ДА (они оба в одинаковом состоянии)) * |ж>
+ B(ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (только один из них мертв) - НЕТ (кот умер не один) * |м>
+ B(ДА (как минимум, один из них мертв) - ДА (только один из них мертв)) * |ж>
4 Ужасно, правда? Но если мы перегруппируем это выражение алгебраически, мы обнаружим, что муха на Луне в итоге стала находиться в суперпозиции возможных состояний кота Шредингера:
ДА (как минимум, один из них мертв) * (B|ж> - A|м>)
+ ДА (только один из них мертв) * (-B|ж> + (A+B)|м>)
+ ДА (они оба в одинаковом состоянии) * (- A|ж> + (A+B)|м>)
+ НЕТ (кот умер не один) (A|ж>-B|м>)
5 Допустим, мы узнаем: НЕТ(кот умер не один). Из всех возможных вариантов состояния лунная муха выберет следующее:
НЕТ (кот умер не один) (A|ж> - B|м>)
Это почти соответствует исходному состоянию кота (А|Ж>+B|М>). Разница в знаке — но его может заменить на противоположный тот, кто находится на Луне вместе с мухой. Мы просто отправляем ему письмо "Поменяй минус на плюс!" по классическому каналу связи.
Понравилась статья?
Поделись с друзьями!
Поделиться 0 Поделиться 0 Твитнуть 0Подпишись на еженедельную рассылку
futurist.ru
Технологические прорывы 2017 года. Когда появятся квантовые компьютеры | Futurist
Успехи Google и Intel в области создания квантовых компьютеров говорят о том, что они находятся в пределах нашей досягаемости и могут стать доступны широкой аудитории уже через пять лет.
Что такое квантовый компьютер?
В основе квантовых вычислений лежит квантовый бит, или кубит, основная единица информации, аналог 0 и 1 в транзисторах вашего компьютера. Кубиты имеют гораздо больше возможностей, чем классические биты, из-за двух уникальных свойств: они могут представлять одновременно и 1, и 0, могут влиять на другие кубиты через явление, известное как квантовая запутанность. Это позволяет квантовым компьютерам сократить путь к правильным ответам в определенных типах вычислений.
Квантовые компьютеры будут задействованы в факторизации больших чисел. С помощью них можно будет легко взломать многие современные методы шифрования и, возможно, создать по-настоящему невзламываемые. КК будут способны решать сложные задачи оптимизации и выполнения алгоритмов машинного обучения. Мы получим приложения с такими вычислительными и скоростными возможностями, которые еще никто не представлял на рынке компьютеров.
В чем прорыв?
Изготовление стабильных кубит – базовой единицы квантовых компьютеров, из-за которой он до сих пор не выпущен на рынок
Почему это важно?
Квантовые компьютеры могут работать экспоненциально быстрее программы искусственного интеллекта и решать задачи комплексного моделирования и планирования. Они могут даже создать невзламываемые системы шифрования.
Ключевые Игроки:
QuTech, Intel, Microsoft, Google, IBM.
Современные разработки
Одна из лабораторий в голландском научно-исследовательском институте QuTech отвечает за несколько самых передовых в мире квантовых компьютеров. По внешнему виду такие разработки очень похожи на испытание вентиляции или объектов кондиционирования. Эта лаборатория спрятана в специально отведенном для испытаний помещении, в Дельфтском технологическом университете. Вход сюда строго воспрещен. Повсюду стоит гул резонансных волн. Создается ощущение, будто шумит целый рой электрических кузнечиков. Помещение заставлено связками изолированных труб, кабелей, а аппаратное управление помещается в большом синем цилиндре, стоящем на трех-четырех опорах.
Внутри синего цилиндра расположены надувные холодильники – в них происходят процессы на уровне микрочастиц, где нанопроволока, полупроводники и сверхпроводники встречаются на отметке чуть выше абсолютного нуля. Именно здесь, в пределах законов физики, твердые материалы порождают так называемые квазичастицы, чье необычное поведение дает им возможность служить в качестве ключевых компонентов квантовых компьютеров.
Статья по теме
Прошли первые испытания квантовых компьютеровВ этой лаборатории, в частности, были достигнуты успехи, которые сделали окончание проекта над квантовым компьютером реальностью. По прогнозу ученых из MIT, через несколько лет квантовые компьютеры смогут переписать историю шифрования, материаловедения, фармацевтических исследований и искусственного интеллекта.
Нестабильные кубиты
Каждый год квантовый компьютер становится кандидатом на главный технологический прорыв, но каждый год мир приходит к одному и тому же выводу: еще не время. Действительно, в течение многих лет кубиты и квантовые компьютеры существовали, в основном, на бумаге, или в условиях непредсказуемых экспериментов, в ходе которых под сомнением оставалась даже их целесообразность. Однако канадская компания D-Wave Systems продает машины, которые называет «квантовыми компьютерами». В ней она задействует технологию квантовой нормализации. Этот подход, как заметили скептики, в лучшем случае, применим для очень ограниченного набора вычислений и не может предложить никаких преимуществ в скорости, по сравнению с классическими компьютерами.
Статья по теме
Технологические прорывы 2017 года. Самоуправляемые грузовикиВ этом году строится сразу несколько экспериментальных машин. Корпорации Google, IBM, Intel и Microsoft готовы поддерживать проекты для исследования и разработки технологий, необходимых, чтобы построить «реальный» рабочий квантовый компьютер. Гиганты заинтересованы прежде всего в разработке в области микроэлектроники, сложных схем и программного управления.
Проект в Дельфтском университете возглавляет Лео Кувенховен, профессор, нанятый корпорацией Microsoft. Его главная цель – преодолеть одно из самых давних препятствий на пути построения квантовых компьютеров. Сложность заключается в том, что кубиты крайне чувствительны к колебаниям электрического поля и, следовательно, дают высокую вероятность сбоя. Кубиты станут полезными для нового изобретения, если им удастся добиться сразу двух квантовых суперпозиций (т.е. находиться в двух физических состояниях одновременно) в условиях запутанности.
Температура в этом синем холодильнике опускается до отметки чуть выше абсолютного нуля, что делает возможными квантовые эксперименты глубоко внутри него.
Люди уже давно прикладывают большие усилия для создания квантовых компьютеров, возможности которых превысят потенциал самых современных ПК. Но теперь Кувенховен и его коллеги пытаются создать изначально защищенные кубиты – стабильные к внешнему воздействию, к примеру как узлы на веревке.
«Несмотря на эффект, деформирующий веревку, мы будем ее подтягивать, – говорит Кувенховен, – узлы кубит останутся неизменными, и вы не потеряете информацию».
Такая стабильность позволит исследователям расширить масштабы квантовых компьютеров, что существенно сократит вычислительные мощности, необходимые для исправления ошибок.
Работа Кувенховена основывается на управлении уникальными квазичастицами, которые до 2012 года даже не были обнаружены.
Прогнозы
Скоро мы будем знать больше о том, что могут квантовые компьютеры. Ранее исследователи построили полностью программируемый пятикубитовый квантовый компьютер и более хрупкие – 10-20-кубитовые тестовые версии. Глава рабочей группы квантовых вычислений компании Google, Хармут Невен заявил, что его команда преследует цель –через год построить 49-кубитовую систему.
Машина около 50 кубит выбрана в качестве цели не случайно – это барьер квантового превосходства, за которым уже неклассический суперкомпьютер будет способен обрабатывать данные экспоненциальных объемов. Это будет похоже на коммуникацию иного уровня, которая позволит такому компьютеру перейти в разряд квантовых. Именно рост памяти на компьютере является его пропускным билетом на пути к квантовому суперкомпьютеру. Другими словами, топы суперкомпьютерных систем смогут делать все то же самое, что пять 20-ти кубитовых квантовых компьютеров, но в пределах 50 кубит. Физически это кажется невозможным. Так и есть. Но не в условиях квантового скачка.
Статья по теме
Технологические прорывы 2017 года. Расплачивайтесь вашим лицомВсе академические и корпоративные исследователи квантовых компьютеров сошлись во мнении, что где-то между 30 и 100 кубитами квантовые компьютеры способны стабильно выполнять широкий спектр вычислений. Именно на этой ступени их развития они начинают приобретать высокую коммерческую ценность. Чтобы такие системы появились в продаже, потребуется от двух до пяти лет.
В итоге мы сможем ожидать систему в 100 тысяч кубит, которая позволит совершить прорыв в материаловедении, химии и фармацевтической отрасли, создать точную молекулярную модель в масштабе один к одному, которая ляжет в основу новых материалов и лекарств.
Статья по теме
Российские ученые создали основу квантовых суперкомпьютеровКроме этого расшифровка всех существующих кодов окажется не за горами и проблема не в том, что для защиты от этого будет использоваться квантовая криптография, а то, что сейчас закодированная информация передается с открытым ключем, но даже такая гибридная криптосистема ничего не может противопоставить квантовому дешифровщику, поэтому сейчас на серверах спецслужб и прочих заинтересованных лиц копятся гигабайты зашифрованной информации, ждущей создания квантового компьютера и тогда многие секреты уже не будут таковыми.
А что насчет системы в миллион кубит? Ее вычислительные возможности сейчас трудно даже представить. «Она будет. Через 10 лет», – дает свой прогноз Хармут Невен из Google.
Оригинал статьи
Понравилась статья?
Поделись с друзьями!
Поделиться 0 Поделиться 0 Твитнуть 0Подпишись на еженедельную рассылку
futurist.nekkimobile.ru
Когда появятся квантовые компьютеры
Учёные считают, что алмазы могут стать твёрдой основой для практичных квантовых компьютеров.
Дефекты размером с атом в алмазах могут содержать кубиты, хранящие противоречивую информацию (к примеру, одновременно "включить" и "выключить") таким образом, чтобы информацию можно было прочитать, не боясь её изменить.
Но существует проблема. Самый часто встречающийся дефект, когда атомы азота заменяют атомы углерода, излучает столь широкий диапазон света, что он слишком неточен для использования. Тем не менее, команда исследователей изобрела способ, чтобы свести эту неточность к минимуму: вкрапить немного кремния, который излучает менее широкий диапазон света.
Метод заключается в уменьшении толщины синтетического алмаза до 200 нанометров, создании оптических резонаторов на его поверхности (чтобы повысить яркость выделяемого света) и использовании специальной имплантационной установки наноразмера, чтобы поместить ионы кремния в эти полости.
Без дополнительных усилий можно поместить лишь определённое количество кремния, но у учёных получилось создать дефекты, содержащие большее его количество, путём бомбардировки алмаза пучками электронов (которые создают дополнительные полости) и повышения температуры алмаза до тех пор, пока отверстия не начнут перемещаться и взаимодействовать с кремнием. Чем чаще повторять этот процесс, тем больше образуется дефектов.
Технология ещё не до конца проработана. У получающихся дефектов не лучшее расположение (они находятся приблизительно на глубине в 50 нанометров), поэтому они не излучают достаточное количество света, характеристики которого устроили бы учёных. Впрочем, этот подход гораздо лучше предыдущих и позволяют предположить, что настоящие квантовые компьютеры на алмазе находятся в пределах досягаемости.
Уважаемые, гости, если Вам понравилась или наоборот не понравилась новость, оставьте, пожалуйста, Ваш комментарий. Регистрация не займет у Вас времени, Ваше мнение важно для нас. Большое спасибо за Ваше внимание!www.dal.by
Квантовые компьютеры
С появлением квантовых компьютеров мы получим приложения с огромными вычислительными и скоростными возможностями.
Успехи Google и Intel в области создания квантовых компьютеров говорят о том, что они находятся в пределах нашей досягаемости и могут стать доступны широкой аудитории уже через пять лет.
Что такое квантовый компьютер?
В основе квантовых вычислений лежит квантовый бит, или кубит, основная единица информации, аналог 0 и 1 в транзисторах вашего компьютера. Кубиты имеют гораздо больше возможностей, чем классические биты, из-за двух уникальных свойств: они могут представлять одновременно и 1, и 0, могут влиять на другие кубиты через явление, известное как квантовая запутанность. Это позволяет квантовым компьютерам сократить путь к правильным ответам в определенных типах вычислений.
Квантовые компьютеры будут задействованы в факторизации больших чисел. С помощью них можно будет легко взломать многие современные методы шифрования и, возможно, создать по-настоящему невзламываемые. КК будут способны решать сложные задачи оптимизации и выполнения алгоритмов машинного обучения. Мы получим приложения с такими вычислительными и скоростными возможностями, которые еще никто не представлял на рынке компьютеров.
В чем прорыв?
Изготовление стабильных кубит – базовой единицы квантовых компьютеров, из-за которой он до сих пор не выпущен на рынок
Почему это важно?
Квантовые компьютеры могут работать экспоненциально быстрее программы искусственного интеллекта и решать задачи комплексного моделирования и планирования. Они могут даже создать невзламываемые системы шифрования.
Современные разработки
Одна из лабораторий в голландском научно-исследовательском институте QuTech отвечает за несколько самых передовых в мире квантовых компьютеров. По внешнему виду такие разработки очень похожи на испытание вентиляции или объектов кондиционирования. Эта лаборатория спрятана в специально отведенном для испытаний помещении, в Дельфтском технологическом университете. Вход сюда строго воспрещен. Повсюду стоит гул резонансных волн. Создается ощущение, будто шумит целый рой электрических кузнечиков. Помещение заставлено связками изолированных труб, кабелей, а аппаратное управление помещается в большом синем цилиндре, стоящем на трех-четырех опорах.
Внутри синего цилиндра расположены надувные холодильники – в них происходят процессы на уровне микрочастиц, где нанопроволока, полупроводники и сверхпроводники встречаются на отметке чуть выше абсолютного нуля. Именно здесь, в пределах законов физики, твердые материалы порождают так называемые квазичастицы, чье необычное поведение дает им возможность служить в качестве ключевых компонентов квантовых компьютеров.
В этой лаборатории, в частности, были достигнуты успехи, которые сделали окончание проекта над квантовым компьютером реальностью. По прогнозу ученых из MIT, через несколько лет квантовые компьютеры смогут переписать историю шифрования, материаловедения, фармацевтических исследований и искусственного интеллекта.
Нестабильные кубиты
Каждый год квантовый компьютер становится кандидатом на главный технологический прорыв, но каждый год мир приходит к одному и тому же выводу: еще не время. Действительно, в течение многих лет кубиты и квантовые компьютеры существовали, в основном, на бумаге, или в условиях непредсказуемых экспериментов, в ходе которых под сомнением оставалась даже их целесообразность. Однако канадская компания D-Wave Systems продает машины, которые называет «квантовыми компьютерами». В ней она задействует технологию квантовой нормализации. Этот подход, как заметили скептики, в лучшем случае, применим для очень ограниченного набора вычислений и не может предложить никаких преимуществ в скорости, по сравнению с классическими компьютерами.
В этом году строится сразу несколько экспериментальных машин. Корпорации Google, IBM, Intel и Microsoft готовы поддерживать проекты для исследования и разработки технологий, необходимых, чтобы построить «реальный» рабочий квантовый компьютер. Гиганты заинтересованы прежде всего в разработке в области микроэлектроники, сложных схем и программного управления.
Проект в Дельфтском университете возглавляет Лео Кувенховен, профессор, нанятый корпорацией Microsoft. Его главная цель – преодолеть одно из самых давних препятствий на пути построения квантовых компьютеров. Сложность заключается в том, что кубиты крайне чувствительны к колебаниям электрического поля и, следовательно, дают высокую вероятность сбоя. Кубиты станут полезными для нового изобретения, если им удастся добиться сразу двух квантовых суперпозиций (т.е. находиться в двух физических состояниях одновременно) в условиях запутанности.
Температура в этом синем холодильнике опускается до отметки чуть выше абсолютного нуля, что делает возможными квантовые эксперименты глубоко внутри него.
Люди уже давно прикладывают большие усилия для создания квантовых компьютеров, возможности которых превысят потенциал самых современных ПК. Но теперь Кувенховен и его коллеги пытаются создать изначально защищенные кубиты – стабильные к внешнему воздействию, к примеру как узлы на веревке.
«Несмотря на эффект, деформирующий веревку, мы будем ее подтягивать, – говорит Кувенховен, – узлы кубит останутся неизменными, и вы не потеряете информацию».
Такая стабильность позволит исследователям расширить масштабы квантовых компьютеров, что существенно сократит вычислительные мощности, необходимые для исправления ошибок.
Работа Кувенховена основывается на управлении уникальными квазичастицами, которые до 2012 года даже не были обнаружены.
Прогнозы
Скоро мы будем знать больше о том, что могут квантовые компьютеры. Ранее исследователи построили полностью программируемый пятикубитовый квантовый компьютер и более хрупкие – 10-20-кубитовые тестовые версии. Глава рабочей группы квантовых вычислений компании Google, Хармут Невен заявил, что его команда преследует цель –через год построить 49-кубитовую систему.
Машина около 50 кубит выбрана в качестве цели не случайно – это барьер квантового превосходства, за которым уже неклассический суперкомпьютер будет способен обрабатывать данные экспоненциальных объемов. Это будет похоже на коммуникацию иного уровня, которая позволит такому компьютеру перейти в разряд квантовых. Именно рост памяти на компьютере является его пропускным билетом на пути к квантовому суперкомпьютеру. Другими словами, топы суперкомпьютерных систем смогут делать все то же самое, что пять 20-ти кубитовых квантовых компьютеров, но в пределах 50 кубит. Физически это кажется невозможным. Так и есть. Но не в условиях квантового скачка.
Все академические и корпоративные исследователи квантовых компьютеров сошлись во мнении, что где-то между 30 и 100 кубитами квантовые компьютеры способны стабильно выполнять широкий спектр вычислений. Именно на этой ступени их развития они начинают приобретать высокую коммерческую ценность. Чтобы такие системы появились в продаже, потребуется от двух до пяти лет.
В итоге мы сможем ожидать систему в 100 тысяч кубит, которая позволит совершить прорыв в материаловедении, химии и фармацевтической отрасли, создать точную молекулярную модель в масштабе один к одному, которая ляжет в основу новых материалов и лекарств.
Кроме этого расшифровка всех существующих кодов окажется не за горами и проблема не в том, что для защиты от этого будет использоваться квантовая криптография, а то, что сейчас закодированная информация передается с открытым ключем, но даже такая гибридная криптосистема ничего не может противопоставить квантовому дешифровщику, поэтому сейчас на серверах спецслужб и прочих заинтересованных лиц копятся гигабайты зашифрованной информации, ждущей создания квантового компьютера и тогда многие секреты уже не будут таковыми.
А что насчет системы в миллион кубит? Ее вычислительные возможности сейчас трудно даже представить. «Она будет. Через 10 лет», – дает свой прогноз Хармут Невен из Google. опубликовано econet.ru
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet
econet.ua
