Квантовые компьютеры — что это такое простыми словами. Квантовые компьютеры что это такое


Квантовые компьютеры что это такое простыми словами видео

квантовые компьютеры

Мир находится на пороге очередной квантовой революции. Первый квантовый компьютер будет в одно мгновенье решать задачи, на которые самое мощное современное устройство сегодня тратит годы. Какие же это задачи? Кому выгодно, а кому угрожает массовое использование квантовых алгоритмов? Что такое суперпозиция кубитов, как люди смогли находить оптимальное решение, не перебирая триллионы вариантов? Ответы на все эти вопросы вы можете найти в рамках рубрики «Просто о сложном».

До квантовой теории электромагнитного излучения в ходу была классическая. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал, что это вымышленная и чисто теоретическая конструкция, он был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями — квантами; следовательно, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А 5 лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу во время объяснения фотоэффекта: при облучении светом в металлах появлялся электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли догадываться, что своими работами закладывают основы новой науки — квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости изменить наш мир, и что в XXI веке ученые достаточно близко прикоснуться к созданию квантового компьютера.

Вначале квантовая механика давала возможность объяснить структуру атома и помогла понять происходящие внутри него процессы. В принципе сбылась давняя мечта алхимиков о превращении атомов одних элементов в атомы других (да, даже в золото). А известная формула Эйнштейна E=mc2 привела к появлению атомной энергетики и, как результат, атомной бомбы.

Дальше — больше. Благодаря работам Эйнштейна и английского физика Поля Дирака во второй половине XX века был придуман лазер — тоже квантовый источник сверхчистого света, который собран в узкий пучок. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию не одному десятку исследователей, а сами лазеры нашли свое применение практически во всех сферах человеческой деятельности — от промышленных резаков и лазерных пушек до сканеров штрихкодов и коррекции зрения. Почти в то же время продолжались активные исследования полупроводников — материалов, благодаря которым можно легко управлять протеканием электрического тока. На их основе были созданы первые транзисторы, которые потом стали основными строительными элементами современной электроники, без которой сегодня мы уже не представляем свою жизнь.

квантовые компьютеры

Быстро и качественно решать многие задачи помогло развитие электронных вычислительных машин — компьютеров. А постепенное уменьшение их размеров и цены (из-за массового производства) проложило компьютерам дорогу в каждый дом. С появлением интернета наша зависимость от компьютерных систем, в частности и для коммуникации, стала еще больше.

Зависимость увеличивается, постоянно растут вычислительные мощности, однако пришло вермя признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом стал говорить известный физик Ричард Фейнман: еще в 1981 году на конференции он сказал, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Вся суть в ее квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко и просто объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо — привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то как альтернативу Фейнман предложил применять для расчетов физических систем квантовые компьютеры.

Что же такое этот квантовый компьютер и чем он отличается от компьютеров, к которым мы привыкли? Вся разница в том, как мы представляем себе информацию.

Если в привычных нам компьютерах за эту функцию отвечают биты — 0 и 1, — то в квантовых компьютерах им на смену приходят квантовые биты (сокращенно — кубиты). Сам кубит — вещь очень простая. У него по-прежнему 2 основных значения (или состояния, как предпочитают говорить в квантовой механике), которые он может принимать: 0 и 1. Но благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией главных. Причем его квантовая природа дает возможность находиться во всех этих состояниях одновременно.

квантовые компьютеры

В этом и суть параллельности квантовых вычислений с кубитами. Все происходит сразу — уже не надо перебирать все возможные варианты состояний системы, а это именно то, чем занимается простой компьютер. Поиск по большим базам данных, составление оптимального маршрута, разработка новых лекарств — только несколько примеров задач, решение которых могут ускорить во множество раз квантовые алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа надо перебрать массу вариантов.

Помимо этого, для описания точного состояния системы теперь не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, поскольку для расчета системы из 100 частиц достаточно 100 кубитов, а не триллионов триллионов бит. Ко всему прочему, с увеличением числа частиц (как в реальных сложных системах) эта разница становится еще существеннее.

Одна из переборных задач выделялась своей кажущейся бесполезностью — разложение больших чисел на простые множители (то есть те которые делятся нацело только на самих себя и единицу). Это называется «факторизация». Дело в том, что обычные компьютеры умеют очень быстро перемножать числа, пусть даже и очень большие. Но с обратной задачей разложения большого числа, которое получилось в результате перемножения 2-х простых чисел, на исходные множители обычные компьютеры справляются довольно плохо. К примеру, чтобы разложить на 2 сомножителя число из 256 цифр, даже самому сильному компьютеру понадобится не один десяток лет. А вот квантовый алгоритм, способный решить данную задачу за несколько минут, придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.

С появлением алгоритма Шора перед научным сообществом появилась серьезная задача. Еще в конце 1970-х годов, основываясь на сложности задачи факторизации, ученые-криптографы придумали алгоритм шифрования данных, который получил повсеместное распространение. В том числе, благодаря данному алгоритму стали защищать данные в интернете — пароли, личную переписку, банковские и финансовые транзакции. И после многолетнего успешного использования в какой то момент выяснилось, что зашифрованная таким способом информация становится легкой мишенью для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Дешифровка благодаря ему становится минутным делом. Радовало одно: квантовый компьютер, на котором можно было бы запустить этот смертоносный алгоритм, еще не был придуман.

Тем временем во всем мире десятки научных групп и лабораторий начали заниматься экспериментальными исследованиями кубитов и возможностями создания из них квантового компьютера. Поскольку одно дело — теоретически придумать кубит, и совсем другое — воплотить его в жизни. Для этого было необходимо найти нужную физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно применять в качестве базовых состояний кубита — нуля и единицы. Сам Фейнман в своей пионерской статье предлагал применять для данных целей закрученные в разные стороны фотоны, однако первыми экспериментально созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы. За ионами пошли многие другие физические реализации: ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи — все они соответствовали поставленным требованиям.

Такое разнообразие имело свои плюсы. Подгоняемые острой конкуренцией, разные исследовательские группы создавали все более совершенные кубиты и строили из них все более сложные схемы. Основных соревновательных параметров у кубитов было 2: время их жизни и число кубитов, которые можно было заставить работать сообща.

Время жизни кубитов диктовало то, насколько долго в них хранилось хрупкое квантовое состояние. Это, в свою очередь, определяло, сколько вычислительных операций можно было осуществить с кубитом, до тех пор пока он не «умер».

Для качественной работы квантовых алгоритмов необходим был не один кубит, а хотя бы сотня, причем работающая вместе. Проблема состояла в том, что кубиты не особо любили соседствовать друг с другом и выражали протест драматическим уменьшением своего времени жизни. Чтобы обойти эту неуживчивость кубитов, ученые вынуждены были идти на всяческие ухищрения. И все же на сегодняшний день ученые смогли заставить работать вместе максимум 1-2 десятка кубитов.

Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер пока еще в будущем. Хотя уже совсем не такого далекого, как могло когда-то казаться, поскольку к его созданию активно подключаются как крупнейшие корпорации типа Intel, IBM и Google, так и отдельные государства, для которых создание квантового компьютера является вопросом стратегической важности.

Источник

ifvremya.ru

Квантовые компьютеры - интересно, но не всегда понятно: Наука и техника: Lenta.ru

Время от времени исследовательские центры сообщают о теоретических и практических успехах на пути к созданию квантового компьютера. Считая это чрезвычайно интересной темой, Лента.ру старается освещать основные достижения в данной области. Эта неделя выдалась особо богатой на квантовые новости. Некоторые из них мы описали, а потом, засомневавшись, понятны ли наши заметки читателям-неспециалистам, остальные отложили и попытались вместо того составить небольшой квантовый ликбез.

Что такое квант и зачем он нужен

Микромир - атомы, электроны, фотоны и другие частицы - живет по особым законам. Там не просто все очень маленькое, там все совсем другое, и многие явления микромира не имеют аналогов в привычном нам макромире, из-за чего кажутся фантастическими.

В классической физике величины могут изменяться равномерно и непрерывно, принимая любые значения. Физика микромира дискретна: у величин есть ряд фиксированных значений, которые они могут принимать. Если пытаться вообразить такую ситуацию в макромире, то можно представить, например, что предметы имеют температуру, которая выражается только целым числом градусов. То есть 10, 20, 31, 36 градусов - может быть, а вот 36,6 - просто невозможно. Нагревать и охлаждать предметы можно, но при этом температура будет скакать туда-сюда сразу на градус. Примерно таким свойством обладают многие характеристики микромира.

В частности, энергия электромагнитного поля излучается только в виде дискретных неделимых порций. Вот такая порция и называется квантом. Предположение о существовании квантов сделал в 1900-1901 годах Макс Планк, положив тем самым начало квантовой теории, квантовой механике и еще много чему с прилагательным квантовый - в том числе и компьютерам.

Другим удивительным свойством фотонов, электронов и иных частиц является то, что они могут проявлять свойства как частиц, так и волн (поэтому мы можем говорить и о том, что свет - это электромагнитная волна, и о частицах света - фотонах). Для математического описания квантового мира физики используют волновые функции, однако в нашем простом комментарии мы их касаться не будем.

Частицы-волны обладают недоступной для макрообъектов способностью "находиться в нескольких местах одновременно". Говоря точнее, описать местонахождение не наблюдаемой непосредственно частицы в некотором месте можно только с некоторой вероятностью.

На наблюдения и измерения в микромире тоже есть существенное ограничение: принцип неопределенности Гейзенберга . Чтобы избежать определения "произведение стандартных отклонений измерений двух сопряженных переменных состояния не может быть меньше константы", популярно его обычно объясняют так: нельзя точно измерить одновременно скорость и координаты частиц. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше будет ошибка в измерении координат, и наоборот.

Гейзенберга, превышающего скорость, догоняет полицейский автомобиль.- Вы хоть знаете, как быстро едете? - кричит полицейский.- Нет, зато я знаю, где я нахожусь!Популярный анекдот.

Пока мы объекты не измеряем, они ведут себя и того хуже. Если квантовая система может находиться в нескольких состояниях и неизвестно, в каком именно она находится, то говорят о суперпозиции состояний. Можно говорить, что неизвестно, в каком состоянии находится система, или что она находится в нескольких состояниях одновременно, это вопрос интерпретации. В любом случае при измерении система выбирает одно из состояний.

Известным наглядным примером является мысленный эксперимент, называемый "кот Шредингера": в закрытый ящик помещены живой кот, емкость с ядовитым газом и радиоактивное ядро. Если ядро распадается, оно приводит в действие механизм, который открывает емкость с газом и тем самым убивает кота. Вероятность того, что ядро распадется за час, - 50 процентов. Через час кот в ящике жив с вероятностью 50 процентов. С точки зрения квантовой механики, пока ящик закрыт, кот находится в суперпозиции двух состояний (то ли жив, то ли мертв; и жив, и мертв; ни жив ни мертв - как угодно). В тот момент, когда наблюдатель открывает ящик, он видит, жив кот или мертв.

Наконец, еще одно важное для нас явление - квантовая запутанность (entanglement), она же спутанность, сцепление, иногда связанность. О запутанности говорят, когда состояние двух (или более) квантовых систем должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если сами системы разнесены в пространстве. Соответственно, физические свойства каждой из систем связаны с физическими свойствами другой, при том что они могут находиться не рядом и ничем не соединяться.

Если две запутанные системы находятся в суперпозиции состояний, то, измерив состояние одной, можно узнать состояние другой. Например, можно запутать два атома, спин (определенная квантовая характеристика) одного из которых будет направлен вверх, а другого - вниз, причем мы не будем знать, у какого атома какой спин. Но измерив спин одного атома, мы тут же узнаем и спин другого, даже если они разнесены в пространстве. Недавно физикам удалось запутать атомы на расстоянии метра друг от друга.

Все эти и многие другие особенности микромира и позволяют построить квантовый компьютер.

Как из этого сделать компьютер

Ученые быстро поняли, что рассчитывать напрямую состояние изменяющихся квантовых систем чрезвычайно сложно. Представим себе, что у нас есть система из 30 электронов в ограниченном пространстве, мы знаем все параметры, какие только можем знать, и хотим предсказать, как будет вести себя система в будущем (грубо говоря, какой электрон куда переместится).

Даже имея в своем распоряжении суперкомпьютер, в оперативной памяти которого больше битов, чем атомов в видимой области Вселенной, мы не сможем просчитать будущее системы. Между тем мы можем его выяснить, просто поставив эксперимент (разумеется, одно из возможных - но мы ведь можем поставить эксперимент несколько раз).

В 1980 году советский математик Юрий Манин задумался: а нельзя ли посмотреть на задачу с другой стороны и, раз квантовая система может то, чего не могут наши компьютеры, использовать эти ее возможности с пользой, а именно - заставить ее производить вычисления? Эту идею поддержали физики, в частности, Нобелевский лауреат Ричард Фейнман.

В 90-е годы были найдены конкретные приложения для теоретической квантовой мощи (см. ниже), а в 2001 - создан первый прототип квантового компьютера.

Как устроен квантовый компьютер

В обычном компьютере информация хранится в битах, которые принимают значения 0 или 1. Ячейками памяти управляет логический вентиль, выполняющий элементарные логические операции.

Ячейкой хранения информации в квантовом компьютере является квантовый бит (quantum bit, qubit), или кубит. Это квантовая частица, которая может иметь два состояния (одно принимается за 0, другое - за 1). Физически кубит может быть устроен по-разному: это может быть атом, имеющий два энергетических состояния (чаще используется квантовая точка, или искусственный атом: маленький фрагмент проводника или полупроводника), атомное ядро или электрон, имеющий два возможных значения спина - вниз и вверх, сверхпроводящее кольцо, в котором ток может течь в двух направлениях, и т.п.

N кубит (по данным словарей, надо говорить пять бит, но много битов, логично склонять кубит так же) могут, как и N бит, иметь 2N возможных состояний, однако принципиальное отличие состоит в том, что кубиты могут находиться в суперпозиции этих состояний и быть при этом запутанными между собой. Это значит, что система из нескольких кубитов (квантовый регистр) находится в каждом из состояний с некоторой вероятностью, а самое главное, это значит, что за счет запутанности можно изменить сразу все 2N состояний. В классическом компьютере такая операция потребовала бы 2N шагов. Это обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений, и именно это является основой мощности квантовых компьютеров.

В классическом компьютере за один такт процессор может изменить одно состояние, которое хранят N бит памяти. В квантовом компьютере за один такт можно изменить N кубит, которые находятся в состоянии, являющемся суперпозицией всех базовых состояний, а следовательно, все 2N базовых состояний. Такимобразом, квантовый компьютер отчасти является не цифровым, а аналоговым устройством.

Что могут квантовые компьютеры

Пока что самое сложное действие, доступное реально существующим квантовым компьютерам: разработке IBM 2001 года и двум недавним разработкам - это разложение числа 15 на простые множители. Но потенциально они могут гораздо больше.

Первый алгоритм для квантовых компьютеров - разложение числа на простые множители - был разработан в 1994 году Питером Шором. Эту задачу умеют решать и классические компьютеры, но времени они на это требуют неизмеримо больше (квантовые же справляются с разложением за время, полиномиальное от раскладываемого числа).

Алгоритм Шора имеет большое значение для современной криптографии. Если удастся создать достаточно мощные квантовые компьютеры, то часть использующихся систем шифрования с открытым ключом (например, RSA) станет уязвима для взлома: для подбора тайного ключа необходимо разложить открытый на простые множители. При достаточно длинном ключе даже современным суперкомпьютерам на это нужны сотни лет, а вот перед квантовыми он не устоит.

Разрабатываются и применения квантовых компьютеров для противоположной задачи: не взлома, а усиления защиты информации.

Еще одним известным алгоритмом является алгоритм Гровера: алгоритм поиска в неструктурированной базе данных.

Итак, квантовый компьютер - это вычислительное устройство, работа которого строится на квантовомеханических эффектах, в частности, на принципе квантовой запутанности, позволяющем реализовать параллелизм вычислений.

Некоторые специалисты сравнивают современное состояние квантовых информационных технологий с уровнем развития классических компьютеров в 1950-е годы, то есть разработчикам квантовых компьютеров предстоит решить еще много теоретических и практических проблем. Есть и мнение, что мощный работающий квантовый компьютер никогда не будет создан. Но даже в этом случае исследования в этом направлении могут привести к неожиданным полезным открытиям, а значит, должны и будут продолжаться.

Александр Бердичевский

lenta.ru

Квантовый компьютер - ITC.ua

13 февраля 2007 г. произошло поистине эпохальное событие – демонстрация квантового компьютера. И это случилось лет на 20 раньше, чем предсказывали ученые. Квантовый компьютер Orion – это первая практическая реализация технологии, позволяющей осуществлять одновременно до 65 536 вычислительных потоков. Его создатель – компания D-Wave – целиком посвятил свою деятельность этой проблеме, уставный капитал предприятия составил 20 млн долл., а конечной целью является разработка доступного и эффективного устройства. Квантовые компьютеры стали реальностью, человечество получило в свои руки инструмент практически с неограниченной вычислительной мощностью, а также огромную проблему по обеспечению безопасности, поскольку перед подобными возможностями не устоят никакие криптографические алгоритмы.

Кажется, что законы физики не будут препятствоватьуменьшению размеров компьютеров до тех пор, пока онине достигнут размеров атомов, тогда квантовое поведениебудет уже оказывать доминирующее влияние.Ричард Фейнман

Такой вычислитель через считаные годы лишит сна военных, банкиров и вообще всех, чье благополучие или безопасность критически зависят от надежности защиты информации. Самые устойчивые из известных сегодня шифров основываются на разбиении достаточно большого числа на простые множители (один из вариантов – так называемая задача факторизации). К примеру, взлом системы RSA-129 (разложение на множители 129-разрядного числа) потребовал в 1994 г. восьмимесячной работы 1600 мощных компьютеров, расположенных по всему миру и объединенных посредством Интернета. Разгадывание шифра с ключом на основе разбиения на простые множители трехсотразрядного числа на классическом компьютере потребует уже 13 млрд лет (сегодняшний возраст Вселенной) непрерывной работы, а квантовый компьютер может справиться с такой задачей за несколько недель.

Огромные вычислительные способности квантовых компьютеров перевернут ситуацию не только в криптографии. По мнению одного из ведущих специалистов в области квантовых вычислений Джона Прескилла из Калифорнийского технологического института, «то, что задача факторизации считается сегодня особенно важной, – историческая случайность». Поистине уникальные возможности открываются для быстрого поиска в базах данных, моделирования физических процессов на микроуровне, а радикально настроенные технократы, например профессор из Оксфорда сэр Роджер Пенроуз, всерьез говорят о решающем вкладе квантового компьютера в создание искусственного интеллекта. Есть о чем задуматься и китам «новой экономики», вкладывающим сегодня миллиарды в традиционные ПК в расчете на растущий завтрашний спрос: первый освоивший квантовые информационные технологии поставит конкурентов на колени, а доквантовая компьютерная революция и недавние рекорды NASDAQ будут казаться не более чем забавными историческими деталями.

Рис. 1. Схематическая структура квантового компьютера

Однако даже скромный квантовый компьютер позволит уже решить задачи, представляющие большой научный интерес. Например, имея всего несколько кубитов (кубит – квантовый бит – quantum bit – qubit ), он будет крайне полезен при проведении так называемых измерений Белла, которые могут быть использованы при реализации квантовой телепортации. Вполне вероятно, что 10 кубитов хватит, чтобы на квантовом компьютере реализовать квантовое кодирование Шумахера, весьма важное для эффективной квантовой криптографии. И не исключено, что 100 бит хватит для того, чтобы квантовый компьютер смог стать эффективным инструментом шумовой (возможно, частично декогерентной) квантовой криптографической связи. По всей видимости, в качестве приложений можно будет создавать пары Эйнштейна–Подольского–Розена, удаленные на большие расстояния, что позволит осуществить новые строгие эксперименты по проверке справедливости квантовой теории. Сейчас и в физике, и в теории вычислений ведутся активные поиски новых путей использования квантовых компьютеров.

Эти устройства, с которыми исследователи экспериментировали в течение многих лет, радикально отличаются от сегодняшних электронно-вычислительных машин.

В начале 80-х годов прошлого века нобелевский лауреат Ричард Фейнман (Richard P. Feynman) из Калифорнийского технологического института, известный как автор «Фейнмановских лекций по физике», увлек научную общественность идеей точного моделирования явлений квантовой физики на компьютере принципиально нового типа – квантовом.

Идеи Фейнмана сыграли свою важную роль. Действительно, моделировать состояние микрочастиц, которое описывается многомерной волновой функцией с числом переменных, равным числу частиц в системе, да еще и зависящей от времени, даже на самом современнейшем и мощнейшем компьютере, по-видимому, довольно проблематично. Поэтому, как считал Фейнман, было бы естественно моделировать физическую реальность, которая подчиняется квантовым законам, с помощью «компьютера, построенного из квантовомеханических элементов, подчиняющихся законам квантовой механики».

Рис. 2. 7-кубитовая молекула, созданная в фирме IBM

Кроме Фейнмана, идеи квантовых вычислений пропагандировали такие физики-теоретики, как Поль Бениофф (Paul Benioff) из Аргонской национальной лаборатории в Иллинойсе; Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета в Англии и Чарльз Беннетт (Charles Bennett) из исследовательского центра IBM имени Т. Дж. Ватсона (T. J. Watson) в Йорктаун-Хайтсе (штат Нью-Йорк). Не стоит забывать также и о российском математике Ю. И. Манине, чей первый труд по квантовому компьютингу появился еще в 1980 г. Он высказал предположение, что «квантовый шум», в ходе миниатюризации микросхем неизбежно превращающийся в препятствие для их нормальной работы, можно попытаться использовать для конструирования компьютеров нового типа, считающих по новым, «квантовым» алгоритмам.

Рис. 3. Ионная ловушка как квантовый процессор. В линейной структуре благодаря взаимному отталкиванию ионы находятся на расстоянии ~20 мкм. Каждый ион адресуется парой лазерных лучей и представляет собой кубит

Однако в те годы идея квантового компьютера казалась настолько фантомной, что о реализации ее на практике писали разве что фантасты. Только после 1994 г., когда Питер Шор (Peter Shor) из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для факторизации больших чисел (разбиения их на простые множители), который оказался гораздо эффективнее существующих до этого алгоритмов, предназначенных для традиционных ПК, наступил перелом в сознании скептиков. Но больше всех всполошились специалисты по вопросам компьютерной безопасности – взломать защиту многих криптосистем, имея квантовый компьютер, как оказалось, не составляет особого труда. Таким образом, Питер Шор, а затем и Лов Гровер (Lov Grover) из научного центра Bell Labs со своим алгоритмом быстрого поиска в неупорядоченной базе данных инициировали лавину новых исследований в области квантовых вычислений во всем мире. Среди ведущих мировых ученых, активно воплощающих идеи квантового компьютинга в жизнь, следует отметить прежде всего доктора Айзека Чуанга (Isaac Chuang) из центра IBM Алмейден (IBM’s Almaden Research Center, Сан-Хосе, Калифорния). Возглавляемые им команды специалистов создали в 1998 г. в Калифорнийском университете Беркли первый в мире двухкубитовый квантовый компьютер, в следующем году – трехкубитовый образец, который с использованием алгоритма Гровера совершал поиск в базе данных, а позднее был продемонстрирован метод упорядочения на квантовом компьютере с разрядностью 7 кубит. Ученые в центре IBM Алмейден выполнили одно из наиболее сложных квантовокомпьютерных вычислений. Они создали 7-кубитовый квантовый компьютер из миллиарда миллиардов изготовленных по заказу молекул, который с помощью алгоритма Шора решил простую версию математической проблемы, лежащую в основе многих из сегодняшних криптографических систем защиты данных.

Принцип работы такого компьютера связан с таинственными и пока непостижимыми для большинства людей квантовыми свойствами атомов и элементарных частиц. Квантовый компьютер, в частности, может быть основан на свойствах спинов электронов и атомных ядер. Когда спин частицы расположен вдоль выделенного направления, атом может быть «считан» как 1, а обратное направление вниз будет соответствовать 0. Это аналогично традиционному транзистору, для которого ноль и единица соответствуют открытому и закрытому состояниям. Но что делает рассматриваемый компьютер уникальным, так это тот факт, что квантовые частицы, даже будучи очень хорошо изолированными друг от друга, могут находиться в когерентном (запутанном – entangled state) состоянии, в котором частицы все-таки зависят друг от друга. В обычном ПК изменение состояния отдельного бита никак не связано с изменением состояния всех остальных битов, разве что только одного. В квантовом компьютере управление состоянием одной частицы вызывает изменение состояния всех других. Это и приводит к квантовому параллелизму вычислений. Благодаря данному эффекту такой компьютер может иметь феноменальную производительность. Для определенных типов вычислений, подобных сложным алгоритмам для криптографии или поискам в гигантских массивах данных, квантовый компьютер может использовать «в тандеме» сотни атомов. На классической машине это бы соответствовало выполнению миллиардов операций одновременно.

Рис. 4. Схематическое изображение двух ячеек Кейна в кремниевой матрице с ядерными спинами-кубитами донорных атомов фосфора. При температурах менее 1K ядерные спины имеют очень большое время (часы и дни) сохранения исходных состояний квантового регистра

Схематическая структура квантового компьютера показана на рис. 1. Основным элементом квантового компьютера являются квантовые биты, или кубиты. Обычный бит – это классическая система, у которой есть только два состояния. Можно сказать, что пространство состояний бита – это множество из двух элементов, например из нуля и единицы. Кубит же – это квантовая система с двумя возможными состояниями (например, спин электрона может быть равен либо 1/2, либо -1/2). Но, поскольку система квантовая, ее пространство состояний будет несравненно богаче. Несколько вариантов реализации кубитов показаны на рис. 2–4.

В квантовой механике есть несколько основных положений, среди которых для квантовых вычислений наиболее важен принцип суперпозиции. Применяя этот принцип, например к электрону, получаем, что возможно его смешанное состояние, когда оба состояния со спином, направленным вверх или вниз, присутствуют с некоторой вероятностью. Существенное значение в процессе выполнения квантовых вычислительных операций, кроме того, имеют состояния, представляющие собой когерентную интерференцию между множеством суперпозиций. Данная особенность квантовых вычислений называется квантовым параллелизмом. Этим они принципиально отличаются от операций над классическими булевыми состояниями. Квантовый параллелизм – главное преимущество квантовых вычислений по сравнению с цифровыми классическими. Например, в случае системы из двух кубитов мы как бы оперируем одновременно со всеми возможными ее состояниями: 00, 01, 11, 10 – что соответствует четырем вычислительным потокам. 16 кубитов позволят реализовать уже 216 = 65 536 таких потоков!

Канадская компания D-Wave в середине февраля текущего года продемонстрировала первый квантовый компьютер Orion в Компьютерном музее в Калифорнии (Computer History Museum in Mountain View). Представитель компании сказал, что D-Wave планирует начать продажу квантовых вычислительных мощностей корпоративным заказчикам в I квартале 2008 г.

Рис. 5. Элементы квантового компьютера Orion компании D-Wave: а – квантовый процессор в сборе; б – электронные модули для связи с квантовым чипом; в – кремниевый квантовый чип с 16 кубитами

Компьютер D-Wave’s построен на кремниевом чипе (рис. 5, а), который содержит 16 кубитов (эквивалентных битам в обычном компьютере), соединенных друг с другом. Каждый кубит состоит из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности.

Электрический ток, протекающий по катушке, генерирует магнитное поле, а оно, в свою очередь, вызывает изменение состояния кубита. Поскольку известно, как ниобий реагирует на магнитные поля, и параметры магнитных полей можно легко измерить, то их изменения, вызванные ниобием, могут быть переведены в результат, который и является решением задачи.

«Кубиты ведут себя согласно некоторому своду правил, – сказал один из основателей компании Джорди Роуз (Geordie Rose). – Квантовые вычисления – это перевод квантовых законов в формат, который мы можем понять».

В конечном счете, компьютер Orion – аналоговое устройство. Работа программ квантового компьютера – это процесс аналогового физического моделирования, а программы в цифровых вычислительных машинах по существу выполняют математические процедуры.

В силу присущих ему квантовых свойств компьютер фирмы D-Wave’s оптимизирован для реализации сложных, часто повторяющихся задач моделирования: например, необходимо выяснить, что произойдет при вариации переменных в сложной финансовой модели, или как различные белки взаимодействуют с различными синтетическими лекарствами, разрабатываемыми в фармацевтической промышленности. Система также может использоваться и в других областях, скажем, при анализе патентных баз данных для поиска пар одинаковых или перекрывающихся объектов интеллектуальной собственности.

«Мы рассматриваем эти машины как генераторы распределения вероятности, – сказал г-н Роуз, – и хотим создать физический аналог сложной математической задачи».

Сейчас Orion – доказательство работоспособности концепции квантового компьютера – демонстрация того, как будет выглядеть конечный продукт. На ней была показана программа для решения проблемы Sudoku (Судоку – головоломка, которая стала популярной в 1986 г. в Японии, а в 2005 г. – во всем мире. Ее часто называют «кубиком Рубика XXI в.». Относится к классу трудно решаемых задач).

Была также представлена система поиска молекул, подобных активному ингредиенту в препарате Prilosec (лекарство против изжоги и для восстановления кислотности фирмы AstraZeneca) в химической базе данных. Компьютер нашел несколько молекул, которые имели элементы, схожие с конструкцией Prilosec, но самой близкой молекулой оказался активный ингредиент в другом препарате под названием Nexium. Это продемонстрировало точность квантового вычислителя. Nexium – фактически зеркальное изображение молекулы в Prilosec, а фармацевтическая компания AstraZeneca «разработала» его для обеспечения патентной чистоты.

В другом примере квантовый компьютер решил известную задачу размещения гостей за столом, где каждый гость имел свои требования. (Клеопатра не может находиться рядом с теми, кто ест мясо. Чингисхан ест мясо и т. д.) Он рассчитал план размещения гостей с минимальным числом нарушений протокола.

Собственно компьютер, который функционирует при температуре 0,004К (–273,15 ˚С) и охлаждается жидким гелием, находился в Канаде. Посетители только видели результаты его работы на экране. Однако, по словам г-на Роуза, это была самая большая демонстрация квантового компьютера когда-либо.

Как сообщил генеральный директор компании Герб Мартин (Herb Martin), к концу года D-Wave будет иметь 32-кубитовую систему и планирует сдавать в аренду время на своих квантовых компьютерах корпоративным клиентам в I квартале следующего года.

«Заказчик не обязан изучать специальные методы программирования и другие тонкости работы системы, чтобы воспользоваться преимуществом квантового компьютера; достаточно отправить задание D-Wave, подобно заказу, как это принято в любой другой компании, – говорит г-н Мартин. – Позже D-Wave планирует сдавать в аренду или продавать компьютеры», – добавил он.

Во II квартале 2008 г. компания планирует создать 512-кубитовую систему, а к концу года и 1024-кубитовую.

«Квантовые компьютеры, – подчеркнул Герб Мартин, – не заменят цифровых вычислительных машин. Вместо этого они будут служить как сопроцессоры для решения больших проблем».

Но имеется ли рынок для аренды вычислительных ресурсов? Sun Microsystems несколько лет назад открыла сервер, который сдает как хранилище баз данных для химических и фармацевтических компаний. Его используют уже несколько заказчиков.

«Некоторые проблемы у D-Wave могут возникнуть потому, что квантовый компьютер будет способен решать намного более сложные проблемы, чем те, которыми занимаются компании в настоящее время», – сказал Стив Джарветсон (Steve Jurvetson), партнер компании Draper Fisher Jurvetson и инвестор D-Wave. Например, многие медицинские фирмы искусственно ограничивают возможности своих исследований, чтобы они соответствовали существующим вычислительным мощностям. D-Wave имеет 100 доступных зарегистрированных приложений и 35 грантов.

Важное преимущество состоит и в том, что компьютер будет иметь минимальный расход энергии. Ниобий – сверхпроводник и, таким образом, не излучает тепло. Квантовый чип непосредственно рассеивает мощность всего несколько нановатт.

Холодильная установка потребляет мощность 20 кВт, которая все еще мала по сравнению с большинством тяжелых серверов – хранилищ данных. «Рост числа кубитов на чипе не потребует значительного увеличений охлаждения», – добавил г-н Роуз.

Даже с объяснениями квантовые концепции могут быть слишком сложными для широкой публики. Попытки понять атомные взаимодействия ведутся до настоящего времени и лежат в основе квантовых вычислений.

itc.ua

Квантовый Компьютер (Миф или Реальность) 51 кубит Что Это

Работа квантового компьютера

кванотовый компьютер

Добрый день, друзья. У многих людей до сих пор существует стереотип, что в области компьютерных технологий наша страна в среде отстающих. Компьютеры и их комплектующие создаются на западе, а производятся в Китае и Таиланде. Но, это, мягко выражаясь – не совсем так.

Ученые по компьютерным технологиям из России предъявили всему миру своё новое детище. Данное изобретение в области компьютерных технологий должно перевернуть весь мир. А именно – квантовый компьютер. Этот ПК вычисляет в 1000000-ны раз быстрее, чем те ПК, которые находятся в крупнейших компьютерных корпорациях Земли. То, что наши ученые победители, приняли как факт иностранные коллеги.

Квантовик многим казался невозможным буквально еще год назад. Он настолько скоростной, что может перегнать все ПК, созданные в наше время. Его мощность такова, что она способна показать людям невероятные возможности, и разрушить большую часть систем безопасности, т.к. без особого труда взломает любую операционную систему.

Как заявил Сергей Белоусов, ген. директор Acronis, он же создатель квантового центра России – «Когда подобный компьютер начинает работать, он становится более опасным, чем атомная бомба.». Я с ним полностью согласен, люди ещё на знают всех возможностей подобного ПК.

белоусов

Когда о том, что в России создаётся компьютер на основе кубитов, в данные проект России начали вкладываться такие гиганты, как Microsoft, Гугл, IBM, и крупнейший интернет магазин Алибаба. Сделать же квантовик смог профессор Михаил Лукин, который до этого работал в Гарварде, и ещё один человек из Квантового центра. Именно их команда и сделала мощнейший на сегодняшний день компьютер.

«Мы сделали самую скоростную систему на основе квантов из тех, которые были до этого. Наша команда вошла в тот этап, с которым обычные ЭВМ не в состоянии справиться. Сейчас, мы создаём небольшие открытия, и уже успели заметить детали, о возможности которых не подозревали даже в теории. Данные открытия даже мы не полностью понимаем», — говорит М. Лукин.

лукин

Разумеется, все из-за возможностей подобных компьютеров. Вычисления, которые обычный компьютер будет делать несколько тысяч лет, квантовик сделает за долю секунды.

Квантовый компьютер что это такое

Каков принцип работы подобного ЭВМ? Вкратце – простой компьютер создаёт свои вычисления за счет битов. Бит может быть или нулём, или единицей. Нули с единицами выстраиваются в определённую позицию и создают цифры или другие знаки. Это чем-то похоже на азбуку Морзе. Суть — да или нет. Точка — тире.

бит

 

 

В квантовиках же принцип совершенно другой. Тут работают не биты, а кубиты. Подобные кубиты находятся в суперпозиции, т.е., кубит может в одно и тоже время быть и нулём, и единицей. Простые компьютеры выстраивают позиции, квантовики же вычисляют параллельно. За доли секунды. В Российском компьютере 51 кубит.

кубит

Попробую объяснить более понятно. Представьте, что в кинотеатре идёт интересный фильм. Вы сидите дома, и сами не можете понять, хотите вы увидеть этот фильм, или нет. То есть, в вас сразу присутствует и единица, и нуль. Но вот, вам позвонил ваш друг и предложил сходить на этот фильм. Вот теперь вы точно знаете, что желаете сходить на этот фильм. Другими словами, у вас теперь единица. Что-то похожее происходит и в системе, построенной на кубитах.

Что создал Лукин

Профессор со своей командой создали ОС, которая на данный момент имеет больше кубитов, чем в Американском аналоге. У американцев их пока 22. Как заявил С. Белоусов: — «Мы создали 51 кубит с запасом, чтобы наш компьютер оставался первым, так как представитель Гугл заявлял, что создаст ЭВМ, у которого будет 49 кубит».

Многие ученые верили, что самый скоростной ПК создаст Джон Мартинес. Он руководит одной из крупнейших на Земле квантовых лабораторий от Гугла. Воплотить в жизнь квантовый компьютер с 49 кубитами он собирался буквально месяца через три — четыре.

мартинес

«Сейчас, в нашем компьютере имеется 22 кубита. Чтобы создать подобный компьютер, мы применили весь свой талант и профессиональный уровень.» — заявил Мартинес.

Джон и Михаил выступали в одном зале в Москве, на 4-й всемирной конференции по квантовым ПК. Однако, соперниками оба выдающихся изобретателя себя не считают. «Неверно пологать, что у нас с Россией гонка – заявил Мартинес – мы соперничаем с законами физики, так как, это очень трудно, воплотить в жизнь кубитный компьютер. Я в восторге, что кто-то сделал компьютер, у которого 51 кубит.» — заявил Мартинес.

Зачем нужны квантовые ЭВМ

На этот вопрос затрудняются ответить даже их изобретатели. Благодаря таким компьютерам, можно создать невероятные вещества, с новыми свойствами. Также, подобные компьютеры помогут открыть различные открытия в химии с физикой. Квантовик ближе прочих компьютеров к искусственному интеллекту.

Что это нам даст? Настанет эра будущего, появятся роботы, как в фантастических фильмах? Кто знает, вполне возможно. Но пока, создание такого компьютера, очень сложно и эра роботов откладывается на неопределённый срок, только вот на какой? А вы что думаете по поводу квантовых компьютеров, мои дорогие читатели? Наступит эра роботов в ближайшее время, или нет? И что нам дадут компьютеры на основе кубитов? Просьба поделиться в комментариях!

С уважением    Андрей Зимин                 09.12.2017 г.

 

info-kibersant.ru

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

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

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

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

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

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

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

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

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

thequestion.ru

Квантовые компьютеры - это... Что такое Квантовые компьютеры?

3 кубита квантового регистра против 3 битов обычного

Квантовый компьютер — гипотетическое[1]вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Содержание понятия «квантовый параллелизм» 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 счет того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно» [1].

Под квантовой запутанностью, которую называют также «квантовой суперпозицией», обычно понимается следующее: "Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определенный 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 объединенное состояние — «распада — не распада», то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется «суперпозицией» [2].

Базовые характеристики квантовых компьютеров в теории позволяют им преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических компьютеров.

Теория

Кубиты

Идея квантовых вычислений, впервые высказанная Ю. И. Маниным[3] и Р. Фейнманом[4] состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (кубитов) имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, 2L-мерное гильбертово пространство состояний. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит может выполнять параллельно 2L операций.

Предположим, что имеется один кубит. В таком случае после измерения, в так называемой классической форме, результат будет 0 или 1. В действительности кубит — квантовый объект и поэтому, вследствие принципа неопределённости, может быть и 0, и 1 с определенной вероятностью. Если кубит равен 0 (или 1) со стопроцентной вероятностью, его состояние обозначается с помощью символа |0> (или |1>) — в обозначениях Дирака. |0> и |1> — это базовые состояния. В общем случае квантовое состояние кубита находится между базовыми и записывается, в виде , где |a|² и |b|² — вероятности измерить 0 или 1 соответственно; ; |a|² + |b|² = 1. Более того, сразу после измерения кубит переходит в базовое квантовое состояние, аналогичное 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. Тогда кубит перескакивает в новое квантовое состояние 1*|0>+0*|1>=|0>, то есть, при следующем измерении этого кубита мы получим 0 со стопроцентной вероятностью. Это обусловлено тем, что дираковский вектор состояния не зависит от времени, то есть раскладывается в сумму векторов базисных состояний с независящими от времени коэффициентами.

Приведем для объяснения два примера из квантовой механики: 1) фотон находится в состоянии суперпозиции двух поляризаций; измерение раз и навсегда коллапсирует состояние фотона в таковое с определенной поляризацией; 2) радиоактивный атом имеет определенный период полураспада; измерение может выявить то, что он еще не распался, но это не значит, что он никогда не распадется.

Перейдем к системе из двух кубитов. Измерение каждого из них может дать 0 или 1. Поэтому у системы 4 классических состояния: 00, 01, 10 и 11. Аналогичные им базовые квантовые состояния: |00>, |01>, |10> и |11>. 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.

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 базовых квантовых операций. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера.

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. Пока в природе их не существует.

Алгоритмы

  • 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 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).

Было показано, что не для всякого алгоритма возможно «квантовое ускорение».

Квантовая телепортация

Алгоритм телепортации реализует точный перенос состояния одного кубита (или системы) на другой. В простейшей схеме используются 4 кубита: источник, приёмник и два вспомогательных. 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. На самом деле, довольно легко создать одинаковые состояния на кубитах. К примеру, измерив 3 кубита, мы переведем каждый из них в базовые состояния (0 или 1) и хотя бы на двух из них они совпадут. 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

Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений[5]. Прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки[6].

Реализации

Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Однако информация об этом устройстве не отвечала строгим требованиям точного научного сообщения; новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании (создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер) вызвали скепсис у членов экспертного сообщества[7].

В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам[8]. Данная демонстрация также вызвала определенного рода скепсис.

В декабре 2008 года компания организовала проект Распределенных вычислений [email protected](Adiabatic QUantum Algorithms) [9], в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave.

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

  • Квантовый ликбез
  • Квантовый компьютер и его полупроводниковая элементарная база
  • Кафедра квантовой информатики факультета ВМК МГУ
  • Лаборатория физики квантовых компьютеров Физикотехнологического института РАН
  • Китаев,А., Шень, А., Вялый, М. Классические и квантовые вычисления
  • QWiki(англ.) и Quantiki(англ.) — Wiki-ресурсы по квантовой информатике
  • Язык программирования QCL для квантовых компьютеров(англ.)
  • Курс «Современные задачи теоретической информатики» (лекции по квантовым вычислениям: введение, суперплотное кодирование, квантовая телепортация, алгоритмы Саймона и Шора)
  • Gilles Brassard, Isaac Chuang, Seth Lloyd and Christopher Monroe. Quantum computing
  • Beyond Bits: The Future of Quantum Information Processing Andrew M. Steane, Eleanor G. Rieffel
  • InFuture.ru: Будущее квантовых компьютеров — в троичных вычислениях
  • Валиев К. А. «Квантовые компьютеры и квантовые вычисления» УФН 175 3 (2005)
  • Страничка проекта [email protected] на сайте команды «Russia»

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Что нам дадут квантовые компьютеры?

Даже если слово "Квантовый" не пугает вас, квантовые компьютеры все еще остаются скорее причудливыми концепциями научной фантастики, нежели реальностью. Однако последние достижения в этой области предполагают, что эти безумно быстрые компьютеры могут появиться раньше, чем мы думаем. И у нас есть много причин волноваться по поводу их прибытия.

Рэй Джонсон, член совета директоров стартапа квантовых вычислений Qxbranch, одной из многих компаний, которые работают над перемещением квантовых компьютеров из лабораторий в реальный мир, рассказал об этих причинах в интервью Business Insider.

Соблазном квантовых компьютеров является их способность решать почти неразрешимые проблемы - настолько сложные проблемы, что для их решения современным компьютерам потребовались бы десятилетия. В теории квантовый компьютер сможет решить эти вопросы, пока вы пьете утренний кофе.

"Неразрешимые" проблемы.Обычные компьютеры, которые мы используем каждый день, используют "Биты" для хранения информации - 1 и 0 - и строки из этих нулей и единиц, представляющих определенную цифру или букву.

В противовес этому, квантовые компьютеры используют преимущества довольно странных физических явлений, когда крошечные частицы могут существовать в нескольких местах одновременно. Вместо того чтобы использовать биты, обладающие только двумя "Установками", они используют квантовые биты, или "кубиты", у которых есть дополнительная установка: они могут быть 1 или 0, или 1 и 0 одновременно.

Таким образом, обычный компьютер с двумя битами может кодировать информацию , внимание, только в четырех возможных комбинациях: 00, 01, 10, 11. Квантовый компьютер может принимать все эти четыре комбинации одновременно. Это позволяет ему обрабатывать экспоненциально больше информации, чем могут обычные компьютеры.

Другой способ задуматься о разнице между обычными и квантовыми компьютерами - это подумать о версии знаменитой задачи о коммивояжере в математике. В этой задаче вы - коммивояжер, планирующий поездку, и вы хотите выяснить, какой маршрут через 10 разных городов будет самым дешевым (экономичным) и самым быстрым.

Обычному компьютеру придется рассчитывать длину всех этих маршрутов отдельно, а затем сравнивать результаты, определяя победителя. Квантовый компьютер может вычислить длины всех маршрутов одновременно, поскольку кубиты могут обрабатывать много информации одновременно - и следовательно быстрее найдут решение.

Квантовые различия.

Есть несколько препятствий на пути к распространению квантовых компьютеров по всему миру.

В настоящее время эти компьютеры должны храниться в переохлажденных условиях и даже легкое беспокойство приведет к коллапсу их деликатного состояния. Тем не менее, благодаря серьезному прорыву Google в марте, инженеры выяснили, как сделать квантовые компьютеры более стабильными - некоторые даже заговорили, что мы находимся на полпути к полностью функциональным квантовым компьютерам. Google, Nasa и IBM усиленно работают над воплощением этой затеи.

И когда мы наконец достигнем этой точки, квантовые компьютеры смогут осуществить революцию практически в любой отрасли.

Джонсон, бывший CTO Lockheed Martin, объяснил, что компьютеры, которые у нас сейчас есть, хорошо делают то, что люди делают плохо. К примеру, люди не могут запомнить 10 миллионов чисел, расставить их в таблице, а затем быстро произвести расчеты с этими числами. Зато это делают компьютеры.

Квантовый компьютер не сможет сделать это быстрее любого обычного компьютера. Нет более хорошего или быстрого способа производить вычисления с набором чисел. Однако квантовые компьютеры могут сократить разрыв между тем, что компьютеры делают хорошо и что люди делают хорошо.

Люди хорошо пробираются через сложные установки и выбирают нужные вещи из этих массивов. Наши мозги делают это вполне естественно и с куда меньшими затратами, чем может компьютер. Квантовые компьютеры, однако, будут работать больше как человеческий мозг.

Дело в том, что, как и люди, квантовые компьютеры могут обучаться с получением опыта. К примеру, если квантовый компьютер работает под управлением программы, которая плохо справляется с определенной задачей, он может самостоятельно внести изменения в код этой программы и избавить ее от совершения ошибок в дальнейшем.

Эта концепция машинное обучение называется. Оно похоже на то, как ваш почтовый сервис обучается, какие письма отправлять в спам, а какие нет, только более хитроумное. Машинное обучение квантовых компьютеров позволит нам делать многие вещи быстрее и с большей эффективностью.

Например, квантовые компьютеры могут существенно улучшить аэрокосмические, военные и оборонные системы. Со всеми спутниками, которые у нас имеются, мы постоянно собираем тонны изображений и видео. Большую часть этих данных никто не просматривает, поскольку в ней сложно разобраться. В том числе и потому, что современные компьютеры не очень хорошо распознают и выделяют нужные данные из собранного ряда.

Квантовые компьютеры могут сортировать гигантские объемы данных быстрее и точнее людей, которым нужно просматривать снимки и видео, чтобы понять их смысл.

Та же способность квантовых компьютеров может привести нас к безопасному транспорту. Квантовые компьютеры могут лечь в основу полуавтоматических автомобилей (не таких интересных, как самоуправляемые авто Google, но все же), которые смогут предупреждать нас о возможном столкновении и самостоятельно принимать некоторые решения во время езды.

Мы пока не знаем даже и одного процента возможностей квантовых компьютеров и сопряженных с ними изменений. Джонсон считает, что мы увидим больше прорывов в следующие годы и очень важные изменения уже через пять лет.

Квантовый компьютер в каждом доме - этот план довольно долгосрочный. Но ключевой момент - это создание простого интерфейса, которым каждый сможет воспользоваться. Над этим и работает Qxbranch. Впрочем, промышленные и коммерческие применения квантовых компьютеров не кажутся такими уж долгосрочными.

science.ru-land.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