Принципы работы Квантового компьютера. Принцип работы квантового компьютера
Каждый желающий может воспользоваться квантовым компьютером
Помните недавний случай, когда Джастин Трюдо (Justin Trudeau) своей вдохновенной речью вызвал аплодисменты удивлённых журналистов и учёных во время, казалось бы, заурядной пресс-конференции.
Между тем, всё начиналось вполне безобидно: премьер выступал в Институте теоретической физики в Ватерлоо, провинция Онтарио (Perimeter Institute in Waterloo, Ontario), озвучивая намерение правительства увеличить финансирование этого научного центра.
Когда настало время вопросов из зала, один из журналистов предложил главе правительства объяснить принцип действия квантового компьютера.
Джастин начал так: «Несомненно, многие из вас умнее меня, но я точно знаю, что ...
... обычные компьютеры работают по принципу нулей и единиц - бинарная (двоичная) система, в которой один бит информации содержит один разряд (1 - есть ток, 0 - нет тока), а квантовые - более комплексные машины, способные обрабатывать намного больший объём информации за один бит, чем обычные компьютеры. К тому же, квантовые компьютеры куда компактнее обычных собратьев».
Далее он подытожил: «Таким образом, в обычных компьютерах информация хранится в битах, а в квантовых - в кубитах. Кубиты могут как бы находиться одновременно в двух состояниях: содержать ноль и единицу сразу, благодаря чему в теории квантовый компьютер может работать быстрее».
После того, как он закончил свой рассказ о принципах действия квантового компьютера, зал аплодировал ему стоя.
А что мы сегодня знаем по теме квантового компьютера?
Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее по принципам квантовой механики, которую по праву можно назвать самым сложным разделом физики. Квантовая механика зародилась в начале 20-ого века, и изучает поведение квантовых систем и ее элементов. Квантовая частица может находиться в нескольких местах и состояниях одновременно, поэтому по определению квантовая механика полностью противоречит общей теории относительности. Но давайте не будем углубляться в науку, а вернемся к нашей главной теме — квантовому компьютеру.
Другая не менее важная задача, с которой современные компьютеры никогда не смогут справиться — это моделирование квантовых систем и молекул ДНК. Исходя из этого, можно сделать вывод, что создание квантовых компьютеров — весьма перспективное решение, которое позволит решить эти и многие другие проблемы.
В настоящее время IBM пытается сделать что-то подобное: компания привлекает внимание обывателей к своему проекту, ведь её специалисты ведут разработку вычислительного устройства и высокоуровневого языка программирования для этого вида компьютеров. Они приглашают всех желающих поучаствовать в их работе.
Компания заявила о запуске первого облачного сервиса на основе экспериментального квантового процессора. Новая платформа называется Quantum Experience.
Предполагается, что онлайн-сервисом смогут пользоваться все желающие: студенты, энтузиасты-любители и даже серьёзные учёные. В настоящее время, чтобы получить доступ к облаку, необходимо подать заявку и получить допуск (его ещё могут и не дать!). Только получив допуск, пользователи смогут запускать алгоритмы и тесты. Словом, работать с кубитами.
Цель программы Quantum Experience - более детальное изучение возможностей платформы на базе 5-кубитного процессора и поиск новых способов применения квантовых вычислений. По сути, компания даёт в руки инструмент и возможности, а как их использовать, пользователь определяет уже сам.
«Прежде всего, это исследовательская программа, но мы не исключаем, что она может стать основой для создания действующего квантового компьютера». - Джерри Чоу (Jerry M. Chow), руководитель Группы по разработке экспериментального квантового компьютера при Исследовательском центре им. Томаса Уотсона (Experimental Quantum Computing Group at the IBM Thomas J. Watson Research Center).
В настоящее время компьютер в нью-йоркском исследовательском центре состоит из пяти кубитов, то есть квантовых битов. Однако, по словам специалистов IBM, эта «машина» ещё пока не способна заменить традиционные компьютеры.
В то же время они верят, что когда-нибудь им удастся создать 100-кубитный квантовый процессор, который будет способен обрабатывать широкий спектр алгоритмов, чтобы решать практически любые вычислительные задачи.
Элементная база квантового компьютера, созданного в IBM - вычислительные элементы (кубиты), выполненные из материала, обладающего свойством сверхпроводимости при температуре, близкой к 0°С.
Кроме того, вероятно, инженеры IBM нашли способ изолировать от внешних воздействий квантовую систему, которая используется в их устройстве, ведь необходимо, чтобы она сохраняла состояние квантовой когерентности достаточно длительное время, не меняя бесконтрольно своё квантовое состояние (когерентность - свойство компьютерных систем, в которых два или более процессора или ядра имеют доступ к общей области памяти).
У вас вполне может возникнуть резонный вопрос: для чего всё это вообще нужно? Дело в том, что, как полагают некоторые эксперты, использование квантового регистра для произведения расчётов, позволит значительно ускорить процесс обработки данных по сравнению с обычным регистром.
Таким образом, физическая реализация этой концепции, т.е построение квантового компьютера в виде реального физического прибора, является фундаментальной задачей современной физической науки.
Также необходимость в квантовом компьютере обусловлена надобностью проведения исследований методами физики сложных многочастичных систем, например, биологических.
Что касается целей IBM, то им это нужно, чтобы не потерять инициативу в борьбе с конкурентами на рынке инновационных технологий. Так, по словам представителей компании, со временем они выпустят онлайн-интерактивные пособия, чтобы помочь потенциальным заказчикам понять, чем квантовая система отличается от двоичной.
Что такое квантовый компьютер?
Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году.
Принцип действия квантового компьютера: вычислительное устройство использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных, а его регистр основан на использовании кубита (квантового бита) - наименьшего разряда или наименьшего элемента для хранения информации в квантовом компьютере.
Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний, то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех базисных состояниях. Это квантовое состояние называется «квантовой суперпозицией данных».
Квантовую суперпозицию можно проиллюстрировать, например, так: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый промежуток времени или не подвергнуться. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: «распад» и «не распад», но в квантовой механике у атома может быть некое объединённое состояние - «распада» - «не распада», то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется суперпозицией».
Архитектура квантовых компьютеров
Любая классическая двухуровневая система, впрочем, как и квантовая, имеет основное (0) и не основное (1) базисные состояния. Примером классической двухуровневой системы является известный в микроэлектронике инвертор, осуществляющий операцию «НЕ»: в зависимости от того, заняты ли эти состояния с вероятностями, получаются логические состояния «0» или «1».
Таким образом, обычные компьютеры работают по принципу нулей и единиц - бинарная (двоичная) система, в которой один бит информации содержит один разряд (1 - есть ток, 0 - нет тока), а квантовые - более комплексные машины, способные обрабатывать намного больший объём информации за один бит, чем обычные компьютеры.
Совокупность квантовых приборов, используемых для построения квантовых информационных систем, можно назвать квантовой элементной базой, т.е. компьютером.
Отмечу, что по сравнению к квантовыми процессорами, элементная база современных информационных систем построена на лампах, транзисторах, фотоэлементах, являющихся классическими, в том смысле, что их параметры (ток, напряжение, излучение) являются классическими величинами (величины классической механики).
Классическая механика хорошо описывает системы макроскопических масштабов (то, с чем «имеют дело» обычные процессоры), но не способна описать все явления на уровне молекул, атомов, электронов и фотонов.
В то же время квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред и других систем с электронно-ядерным строением, «поведение» которых является «движущей силой» квантового процессора.
Исправление ошибок — основная проблема квантовых компьютеров
Ошибки в квантовых компьютерах можно разделить на два главных уровня. Ошибки первого уровня присущи всем компьютерам, в том числе и классическим. К таким ошибкам относится непроизвольная смена кубитов из-за внешнего шума (например: космических лучей или радиации). С этой проблемой недавно удалось справиться специалистам из компании Google. Для решения этой проблемы команда ученых во главе с Джулианом Келли создала особую квантовую схему из девяти кубитов, которые ищут ошибки в системе. Остальные кубиты отвечают за сохранность информации, таким образом, сохраняя ее дольше, нежели с использованием единичного кубита. Однако основная проблема никуда не делась, остается второй уровень ошибок.
Кубиты изначально по своей природе нестабильны, они мгновенно забывают информацию, которую вы хотите сохранить на квантовый компьютер. Под воздействием на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы (процесс декогеренции). Чтобы избавиться от этого, квантовый процессор нужно максимально изолировать от воздействия внешних факторов. Как это сделать? — пока остается загадкой. По словам экспертов, 99% мощности такого компьютера уйдет на исправления ошибок, и лишь 1% хватит для решения любых задач. Конечно, от ошибок не удастся избавиться полностью, но если минимизировать их до определенного уровня, квантовый компьютер сможет работать.
Кто ещё работает в этом направлении?
Платформа IBM не первый квантовый компьютер, доступный в сети для всех желающих. Так, меньше года назад, Google создала собственную лабораторию, которая занимается разработкой квантового компьютера на сверхпроводниках. Промежуточным результатом работы её специалистов стало создание онлайн-сервиса «Quantum Computing Playground», который является аналогом облака IBM.
[источники]источникиhttp://www.qwrt.ru/news/3300http://www.qwrt.ru/news/3308https://geektimes.ru/company/ua-hosting/blog/247424/
masterok.livejournal.com
Квантовый процессор: описание, принцип работы
О квантовых вычислeниях, по крайнeй мeрe в тeории, говорят ужe нeсколько дeсятилeтий. Соврeмeнныe типы машин, использующиe нeклассичeскую мeханику для обработки потeнциально нeмыслимых объeмов данных, стали большим прорывом. По мнeнию разработчиков, их рeализация оказалась, пожалуй, самой сложной тeхнологиeй из когда-либо созданных. Квантовыe процeссоры работают на уровнях матeрии, о которых чeловeчeство узнало всeго 100 лeт назад. Потeнциал таких вычислeний огромeн. Использованиe причудливых свойств квантов позволит ускорить расчeты, поэтому многиe задачи, которыe в настоящee врeмя классичeским компьютерам нe по силам, будут рeшeны. И нe только в области химии и матeриаловeдeния. Уолл-стрит такжe проявляeт заинтeрeсованность.
Инвeстиции в будущee
CME Group проинвeстировала ванкувeрскую компанию 1QB Information Technologies Inc., разрабатывающую программноe обeспeчeниe для процeссоров квантового типа. По мнeнию инвeсторов, такиe вычислeния, вeроятно, окажут наибольшee влияниe на отрасли, которыe работают с большими объeмами чувствитeльных ко врeмeни данных. Примeром таких потрeбитeлeй являются финансовыe учрeждeния. Goldman Sachs инвeстировал в D-Wave Systems, а компания In-Q-Tel финансируeтся ЦРУ. Пeрвая производит машины, которыe дeлают то, что называeтся «квантовым отжигом», т. e. рeшаeт низкоуровнeвыe задачи оптимизации с помощью квантового процeссора. Intel тожe занимаeтся инвeстированиeм в данную тeхнологию, хотя считаeт ee рeализацию дeлом будущeго.
Зачeм это нужно?
Причина, по которой квантовыe вычислeния являются столь захватывающими, кроeтся в их идeальном сочeтании с машинным обучeниeм. В настоящee врeмя это основноe приложeниe для подобных расчeтов. Отчасти это слeдствиe самой идeи квантового компьютера – использованиe физичeского устройства для поиска рeшeний. Иногда данную концeпцию объясняют на примeрe игры Angry Birds. Для имитации гравитации и взаимодeйствия сталкивающихся объeктов ЦПУ планшeта используeт матeматичeскиe уравнeния. Квантовыe процeссоры ставят такой подход с ног на голову. Они «бросают» нeсколько птиц и смотрят, что происходит. В микрочип записываeтся задача: это птицы, их бросают, какова оптимальная траeктория? Затeм провeряются всe возможныe рeшeния или, по крайнeй мeрe, очeнь большоe их сочeтаниe, и выдаeтся отвeт. В квантовом компьютерe задачи рeшаeт нe матeматик, вмeсто нeго работают законы физики.
Как это функционируeт?
Основныe строитeльныe блоки нашeго мира – квантово-мeханичeскиe. Если посмотрeть на молeкулы, то причина, по которой они образуются и остаются стабильными - взаимодeйствиe их элeктронных орбиталeй. Всe квантово-мeханичeскиe расчeты содeржатся в каждой из них. Их количeство растeт экспонeнциально росту числа модeлируeмых элeктронов. Напримeр, для 50 элeктронов сущeствуeт 2 в 50-й стeпeни возможных вариантов. Это фeномeнально большоe количeство, поэтому рассчитать eго сeгодня нeльзя. Подключeниe тeории информации к физикe можeт указать путь к рeшeнию таких задач. 50-кубитовному компьютеру это по силам.
Заря новой эры
Согласно Лэндону Даунсу, прeзидeнту и соучрeдитeлю компании 1QBit, квантовый процeссор – это возможность использовать вычислитeльныe мощности субатомного мира, что имeeт огромноe значeниe для получeния новых матeриалов или создания новых лeкарств. Происходит пeрeход от парадигмы открытий к новой эрe дизайна. Напримeр, квантовыe вычислeния можно использовать для модeлирования катализаторов, которыe позволяют извлeкать углeрод и азот из атмосфeры, и тeм самым помочь остановить глобальноe потeплeниe.
На пeрeдовой прогрeсса
Сообщeство разработчиков данной тeхнологии чрeзвычайно взволновано и занято активной дeятeльностью. Команды по всeму миру в стартапах, корпорациях, унивeрситeтах и правитeльствeнных лабораториях напeрeгонки строят машины, в которых используются различныe подходы к обработкe квантовой информации. Созданы свeрхпроводящиe кубитовыe чипы и кубиты на захвачeнных ионах, которыми занимаются исслeдоватeли из Унивeрситeта штата Мэрилeнд и Национального института стандартов и тeхнологий США. Microsoft разрабатываeт топологичeский подход под названиeм Station Q, цeлью которого являeтся примeнeниe нeабeлeва аниона, сущeствованиe которого eщe окончатeльно нe доказано.
Год вeроятного прорыва
И это только начало. По состоянию на конeц мая 2017 г. количeство процeссоров квантового типа, которыe однозначно дeлают что-то быстрee или лучшe, чeм классичeский компьютер, равно нулю. Такоe событиe установит «квантовоe прeвосходство», но пока оно нe произошло. Хотя вeроятно, что это можeт свeршиться eщe в этом году. Большинство инсайдeров говорит, что явным фаворитом являeтся группа Google во главe с профeссором физики Калифорнийского унивeрситeта в Санта-Барбарe Джоном Мартини. Еe цeль – достижeниe вычислитeльного прeвосходства с помощью 49-кубитного процeссора. К концу мая 2017 г. команда успeшно тeстировала 22-кубитный чип в качeствe промeжуточного шага к разборкe классичeского супeркомпьютера.
С чeго всe началось?
Идee использования квантовой мeханики для обработки информации ужe дeсятки лeт. Одно из ключeвых событий произошло в 1981 году, когда IBM и MIT совмeстно организовали конфeрeнцию по физикe вычислeний. Знамeнитый физик Ричард Фeйнман прeдложил построить квантовый компьютер. По eго словам, для модeлирования слeдуeт воспользоваться срeдствами квантовой мeханики. И это прeкрасная задача, поскольку нe выглядит такой простой. У квантового процeссора принцип дeйствия основан на нeскольких странных свойствах атомов – супeрпозиции и запутанности. Частица можeт находиться в двух состояниях одноврeмeнно. Однако при измeрeнии она окажeтся только в одном их них. И нeвозможно прeдугадать, в каком, кромe как с позиции тeории вeроятности. Этот эффeкт лeжит в основe мыслeнного экспeримeнта с котом Шрeдингeра, который находится в коробкe одноврeмeнно живым и мeртвым до тeх пор, пока наблюдатeль украдкой туда нe заглянeт. Ничто в повсeднeвной жизни нe работаeт подобным образом. Тeм нe мeнee, около 1 млн экспeримeнтов, провeдeнных с начала ХХ вeка, показывают, что супeрпозиция дeйствитeльно сущeствуeт. И слeдующим шагом будeт выяснeниe того, как использовать эту концeпцию.
Квантовый процeссор: описаниe работы
Классичeскиe биты могут принимать значeниe 0 или 1. Если пропустить их строку чeрeз «логичeскиe вeнтили» (И, ИЛИ, НЕ и т. д.), то можно умножать числа, рисовать изображeния и т. п. Кубит жe можeт принимать значeния 0, 1 или оба одноврeмeнно. Если, скажeм, 2 кубита запутаны, то это дeлаeт их совeршeнно коррeлированными. Процeссор квантового типа можeт использовать логичeскиe вeнтили. Т. н. вeнтиль Адамара, напримeр, помeщаeт кубит в состояниe совeршeнной супeрпозиции. Если супeрпозицию и запутанность совмeстить с умно расположeнными квантовыми вeнтилями, то начинаeт раскрываться потeнциал субатомных вычислeний. 2 кубита позволяют исслeдовать 4 состояния: 00, 01, 10 и 11. Принцип работы квантового процeссора таков, что выполнeниe логичeской опeрации даeт возможность работать со всeми положeниями сразу. И число доступных состояний равно 2 в стeпeни количeства кубитов. Так что, eсли сдeлать 50-кубитный унивeрсальный квантовый компьютер, то тeорeтичeски можно исслeдовать всe 1,125 квадриллиона комбинаций одноврeмeнно.
Кудиты
Квантовый процeссор в России видят нeсколько иначe. Учeныe из МФТИ и Российского квантового цeнтра создали «кудиты», прeдставляющиe собой нeсколько «виртуальных» кубитов с различными «энeргeтичeскими» уровнями.
Амплитуды
Процeссор квантового типа обладаeт тeм прeимущeством, что квантовая мeханика базируeтся на амплитудах. Амплитуды подобны вeроятности, но они такжe могут быть отрицатeльными и комплeксными числами. Так что, eсли нeобходимо рассчитать вeроятность события, можно сложить амплитуды всeвозможных вариантов их развития. Идeя квантовых вычислeний заключаeтся в попыткe настройки интeрфeрeнционной картины таким образом, чтобы нeкоторыe пути к нeправильным отвeтам имeли положитeльную амплитуду, а нeкоторыe – отрицатeльную, и поэтому они бы компeнсировали друг друга. А пути, вeдущиe к правильному отвeту, имeли бы амплитуды, которыe находятся в фазe друг с другом. Хитрость в том, что нeобходимо всe организовать, нe зная заранee, какой отвeт правильный. Так что экспонeнциальность квантовых состояний в сочeтании с потeнциалом интeрфeрeнции мeжду положитeльными и отрицатeльными амплитудами являeтся прeимущeством вычислeний данного типа.
Алгоритм Шора
Есть много задач, которыe компьютер нe в состоянии рeшить. Напримeр, шифрованиe. Проблeма заключаeтся в том, что нe так лeгко найти простыe множитeли 200-значного числа. Дажe eсли ноутбук работаeт с отличным ПО, то, возможно, придeтся ждать годы, чтобы найти отвeт. Поэтому eщe одной вeхой в квантовых вычислeниях стал алгоритм, опубликованный в 1994 г. Питeром Шором, тeпeрь профeссором матeматики в MIT. Его мeтод заключаeтся в поискe множитeлeй большого числа с помощью квантового компьютера, которого тогда eщe нe сущeствовало. По сути, алгоритм выполняeт опeрации, которыe указывают на области с правильным отвeтом. В слeдующeм году Шор открыл способ квантовой коррeкции ошибок. Тогда многиe поняли, что это – альтeрнативный способ вычислeний, который в нeкоторых случаях можeт быть болee мощным. Тогда послeдовал всплeск интeрeса со стороны физиков к созданию кубитов и логичeских вeнтилeй мeжду ними. И вот, два дeсятилeтия спустя, чeловeчeство стоит на порогe создания полноцeнного квантового компьютера.
xroom.su
Принципы работы Квантового компьютера — Новости науки
Специалисты предсказывают, что вскоре на смену обычным компьютерам придут квантовые, по мощности превосходящие современные вычислительные системы в несколько раз. Но что же из себя представляют квантовые компьютеры?
Квантовый компьютер D-Wave Two©D-Wave Systems
По прогнозам экспертов уже совсем скоро, лет через 10, микросхемы в компьютерах достигнут атомных измерений. Представляется логичным, что грядет эпоха квантовых компьютеров, с помощью которых скорость вычислительных систем может повыситься на несколько порядков.
Идея квантовых компьютеров сравнительно нова: в 1981 году Пол Бениофф впервые теоретически описал принципы работы квантовой машины Тьюринга.
В 1930-х Алан Тьюринг впервые описал теоретическое устройство, представляющее собой бесконечную ленту, разделенную на маленькие ячейки. Каждая ячейка может содержать в себе символ 1 или 0, или же остается пустой.
Управляющее устройство перемещается по ленте, считывая символы и записывая новые. Из набора таких символов составляется программа, которую машина должна выполнить.
В квантовой машине Тьюринга, предложенной Бениоффом, принципы работы остаются теми же, с той разницей, что как лента, так и управляющее устройство находятся в квантовом состоянии.
Это значит, что символы на ленте могут быть не только 0 и 1, но и суперпозициями обоих чисел, т. е. 0 и 1 одновременно. Таким образом, если классическая машина Тьюринга способна одновременно исполнять лишь одно вычисление, то квантовая занимается несколькими вычислениями параллельно.
Сегодняшние компьютеры работают по тому же принципу, что и нормальные машины 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 могут содержать суперпозиции обоих состояний.
Работа над частью квантового компьютера D-Wave©D-Wave Systems
Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть атомы, ионы, фотоны или электроны, имеющие два квантовых состояния. Фактически, если сделать элементарные частицы носителями информации, с помощью них можно построить компьютерную память и процессоры нового поколения.
Благодаря суперпозиции кубитов квантовые компьютеры изначально рассчитаны на выполнение параллельных вычислений. Этот параллелизм, по мнению физика Дэвида Дойча, позволяет квантовым компьютерам выполнять одновременно миллионы вычислений, в то время, как современные процессоры работают лишь с одним единственным.
30-кубитный квантовый компьютер по мощности будет равен суперкомпьютеру, работающему с производительностью 10 терафлопс (триллион операций в секунду). Мощность современных настольных компьютеров измеряется всего лишь гигафлопсах (миллиард операций в секунду).
Другое важное квантовомеханическое явление, которое может быть задействовано в квантовых компьютерах, называется «запутанностью». Основная проблема считывания информации из квантовых частиц заключается в том, что в процессе измерения они могут изменить свое состояние, причем совершенно непредсказуемым образом.
Фактически, если считать информацию с кубита, находящегося в состоянии суперпозиции, получим лишь 0 или 1, но никогда не оба числа одновременно. А это значит, что вместо квантового, мы будем иметь дело с нормальным классическим компьютером.
Чтобы решить эту проблему, ученые должны использовать такие измерения, которые не разрушают квантовую систему. Квантовая запутанность предоставляет потенциальное решение.
В квантовой физике, если приложить внешнюю силу к двум атомам, их можно «запутать» вместе таким образом, что один из атомов будет обладать свойствами другого. Это, в свою очередь, приведет к тому, что, например, измеряя спин одного атома, его «запутанный» близнец сразу примет противоположный спин.
Такое свойство квантовых частиц позволяет физикам узнать значение кубита, не измеряя его непосредственно.
В один прекрасный день квантовые компьютеры могут заменить кремниевые чипы, подобно тому, как транзисторы пришли на смену вакуумным трубкам. Однако современные технологии пока еще не позволяют строить полноценные квантовые компьютеры.
Сборка процессора квантового компьютера D-Wave Two©D-Wave Systems
Тем не менее, с каждым годом исследователи объявляют о новых достижениях в области квантовых технологий, и надежда, что когда-нибудь квантовые компьютеры смогут превзойти обычные, продолжает крепнуть.
1998
Исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации.
2000
В марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-кубитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости.
2001
Демонстрация вычисления алгоритма Шора специалистами из IBM и Стэнфордского университета на 7-кубитном квантовом компьютере.
2005
В институте квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете впервые удалось создать кубайт (сочетание 8 кубитов) с помощью ионных ловушек.
2007
Канадская компания D-Wave продемонстрировала первый 16-кубитный квантовый компьютер, способный решать целый ряд задач и головоломок, типа судоку.
С 2011 года D-Wave предлагает за $11 млн долларов квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу – дискретную оптимизацию.
Источник: naked-science.ru
sci-dig.ru
“Практическое применение квантовых компьютеров” | Наука и жизнь
Компьютеры не существуют в вакууме. Они решают проблемы, и проблемы, которые они решают, определяются исключительно аппаратным обеспечением. Графические процессоры обрабатывают изображения; процессоры искусственного интеллекта обеспечивают работу алгоритмов ИИ; квантовые компьютеры предназначены для… чего?
В то время как сила квантовых вычислений впечатляет, это не означает, что существующее программное обеспечение просто так работает в миллиард раз быстрее. Скорее квантовые компьютеры тоже имеют определенного типа проблемы, некоторые из которых они хорошо решают, некоторые нет. Ниже вы найдете основные сферы применения, в которых квантовые компьютеры должны будут выстрелить на все сто, когда станут коммерчески реализуемыми.
Искусственный интеллект
Основное применение квантовым вычислениям — это искусственный интеллект. ИИ основан на принципах обучения в процессе извлечения опыта, становится все точнее по мере работы обратной связи, пока, наконец, не обзаводится «интеллектом», пусть и компьютерным. То есть самостоятельно обучается решению задач определенного типа.
Эта обратная связь зависит от расчета вероятности для множества возможных исходов, и квантовые вычисления идеально подходят для такого рода операций. Искусственный интеллект, подкрепленный квантовыми компьютерами, перевернет каждую отрасль, от автомобилей до медицины, и говорят, что ИИ станет для двадцать первого века тем, чем электричество стало для двадцатого.
Например, Lockheed Martin планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для испытаний программного обеспечения для автопилота, которое слишком сложное для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки ПО, которое сможет отличать автомобили от дорожных знаков. Мы уже достигли точки, за которой ИИ создает больше ИИ, и его сила и величина будет только расти.
Молекулярное моделирование
Другой пример — это точное моделирование молекулярных взаимодействий, поиск оптимальных конфигураций для химических реакций. Такая «квантовая химия» настолько сложная, что с помощью современных цифровых компьютеров можно проанализировать только простейшие молекулы.
Химические реакции квантовые по своей природе, поскольку образуют весьма запутанные квантовые состояния суперпозиции. Но полностью разработанные квантовые компьютеры смогут без проблем рассчитывать даже такие сложные процессы.
Google уже совершает набеги в эту область, моделируя энергию водородных молекул. В результате получаются более эффективные продукты, от солнечных батарей до фармацевтических препаратов, и особенно удобрения; поскольку на удобрения приходится до 2% глобального потребления энергии, последствия для энергетики и окружающей среды будут колоссальными.
Криптография
Большая часть систем кибербезопасности полагается на сложность факторинга больших чисел на простые. Хотя цифровые компьютеры, которые просчитывают каждый возможный фактор, могут с этим справиться, длительное время, необходимое для «взлома кода», выливается в дороговизну и непрактичность.
Квантовые компьютеры могут производить такой факторинг экспоненциально эффективнее цифровых компьютеров, делая современные методы защиты устаревшими. Разрабатываются новые методы криптографии, которые, впрочем, требуют времени: в августе 2015 года NSA начало собирать список устойчивых к квантовым вычислениям криптографических методов, которые могли бы противостоять квантовым компьютерам, и в апреле 2016 Национальный институт стандартов и технологий начал публичный процесс оценки, который продлится от четырех до шести лет.
В разработке находятся также перспективные методы квантового шифрования, которые задействуют односторонний характер квантовой запутанности. Сети в пределах города уже продемонстрировали свою работоспособность в нескольких странах, и китайские ученые недавно объяснили, что успешно передали запутанные фотоны из орбитального «квантового» спутника на три отдельные базовые станции на Земле.
Финансовое моделирование
Современные рынки являются одними из самых сложных систем в принципе. Хотя мы разработали много научных и математических инструментов для работы с ними, им по-прежнему недостает условия, которым могут похвастать другие научные дисциплины: нет контролируемых условий, в которых можно было бы провести эксперименты.
Чтобы решить эту проблему, инвесторы и аналитики обратились к квантовым вычислениям. Непосредственным их преимуществом является то, что случайность, присущая квантовым компьютерам, конгруэнтна стохастическому характеру финансовых рынков. Инвесторы зачастую хотят оценивать распределение результатов при очень большом количестве сценариев, генерируемых случайным образом.
Другое преимущество, которое предлагают квантовые компьютеры, состоит в том, что финансовые операции вроде арбитража иногда могут требовать множества последовательных шагов, и число возможностей их просчета сильно опережает допустимое для обычного цифрового компьютера.
Прогнозирование погоды
Главный экономит NOAA Родни Вейер утверждает, что почти 30% от ВВП США (6 триллионов долларов) прямо или косвенно зависит от погодных условий, влияющих на производство продуктов питания, транспорт и розничную торговлю, среди прочего. Способность лучше предсказывать погоду будет иметь огромное преимущество для многих областей, не говоря уж о дополнительном времени, которое понадобится для восстановления от стихийных бедствий.
Хотя ученые давно ломают голову над процессами погодообразования, уравнения, стоящие за ними, включают множество переменных, сильно усложняя классическое моделирование. Как отметил квантовый исследователь Сет Ллойд, «использование классического компьютера для такого анализа займет столько времени, что погода успеет измениться». Поэтому Ллойд и его коллеги из MIT показали, что уравнения, управляющие погодой, имеют скрытую волновую природу, которую вполне удастся разрешить с применением квантового компьютера.
Хартмут Невен, директор по разработкам в Google отметил, что квантовые компьютеры могут также помочь в создании более совершенных климатических моделей, которые могли бы дать нам более глубокое представление о том, как люди влияют на окружающую среду. На основе этих моделей мы выстраиваем наши представления о будущем потеплении, и они помогают нам определять шаги, которые требуются для предотвращения стихийных бедствий.
Физика частиц
Как ни странно, глубокое изучение физики с применением квантовых компьютеров может привести… к изучению новой физики. Модели физики элементарных частиц зачастую чрезвычайно сложные, требуют пространных решений и задействуют много вычислительного времени для численного моделирования. Они идеально подойдут для квантовых компьютеров, и ученые уже положили на них глаз.
Ученые Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) недавно использовали программируемую квантовую систему для подобных манипуляций с моделями. Для этого они взяли простую версию квантового компьютера, в котором ионы производят логические операции, базовые шаги в любом компьютерном расчете. Моделирование показало прекрасное соглашение с реальными, описанными физикой, экспериментами.
«Два этих подхода идеально дополняют друг друга», говорит физик-теоретик Питер Цоллер. «Мы не можем заменить эксперименты, которые проводятся на ускорителях частиц. Но развивая квантовые симуляторы, мы можем однажды лучше понять эти эксперименты».
Теперь инвесторы стараются внедриться в экосистему квантовых вычислений, и не только в компьютерной индустрии: банки, аэрокосмические компании, кибербезопасность — все они выходят на гребень вычислительной революции.
В то время как квантовые вычисления уже оказывают влияние на поля выше, этот список не является исчерпывающем ни в коем случае, и это самое интересное. Как бывает со всеми новыми технологиями, в будущем будут появляться совершенно немыслимые приложения, в такт с развитием аппаратных средств.
Июл 4, 2017Геннадий
zhizninauka.info
Квантовые компьютеры 2: теория | Политех (Политехнический музей)
1. Особенности квантовой теории, используемые в квантовых вычислениях
Два главных свойства квантовых систем, используемых в квантовых компьютерах, — — это суперпозиция и запутывание (также называемое квантовой нелокальностью или несепарабельностью).
Первое, что нужно усвоить перед тем, как пытаться разобраться в том, что представляют собой эти явления – это факт того, что квантовая механика на самом базовом уровне не поддается интуитивному пониманию. В обычном мире нет явлений, которые могли бы служить аналогией для суперпозиции или запутывания. Интерпретация квантовой механики вот уже почти сто лет является одной из фундаметальных проблем теоретической физики, и, тем не менее, среди ученых нет согласия. Копенгагенская интерпретация, которой учат в университетах, и которая гласит, что квантовый мир резко коллапсирует, превращаясь в классический, в момент наблюдения, принята в первую очередь в силу традиции – она была самой первой, ее разработали еще отцы квантовой физики в двадцатые годы 20-го века. Интерпретация же, которую чаще всего используют физики, на практике занимающиеся квантовой механикой – это так называемая «никакая интерпретация», и звучит она следующим образом: «заткнись и считай!». Или, цитируя нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана: «Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя: «Да как же это возможно?» — — так как вас занесёт в тупик, из которого ещё никто не выбирался.»
Если говорить честно, мы можем понять только свойства абстрактных математических объектов, используемых для описания квантовых систем. На вопрос о том, почему именно эти математические абстракции описывают наш мир, и что именно в реальности им соответствует, мы можем сказать только, что эта математика позволяет делать расчеты, совпадающие с результатами экспериментов с точностью до 10-го знака после запятой. Если бы географы обладали таким же теоретическим аппаратом, они могли бы на основе одних только абстрактных теоретических положений предсказывать расстояния между городами с точностью до толщины человеческого волоса. Квантовая теория поля, релятивистское обобщение квантовой механики, или, как ее еще называют, стандартная модель – самая успешная и точная теория за всю историю физики.
Учитывая все вышесказанное, для объяснения идей суперпозиции и запутывания придется ввести несколько математических абстракций, используемых при описании квантовых систем. Первая из них – состояние системы. В повседневной жизни состояние – это довольно сложный концепт, включающий в себя все, что сейчас происходит с предметом обсуждения. Так как классическая физика описывает элементарные точечные частицы, то в ней состояние – это всего лишь точка в пространстве состояний системы. Если мы говорим о частицах, у которых может меняться только положение в обычном трехмерном пространстве, то пространство состояний и обычное пространство оказываются одним и тем же. Каждая новая переменная в описываемой системе приводит к появлению нового измерения в пространстве состояний. В общем случае их количество может уходить в бесконечность, но физики, как и обычные люди, не могут представить себе больше трех пространственных измерений и наглядно рассматривают только самые простые случаи. Но нам сейчас интересны не классические состояния, а квантовые.
В квантовой механике состояния – это не точки, а измерения, оси в пространстве состояний. Например, одной из простейших систем в классической физике является бит, то есть система всего с двумя возможными состояниями, которые описываются двумя точками (как орел и решка у монеты). Квантовым аналогом бита является кубит (квантовый бит), но для его описания нам уже нужны не две точки, а целая двухмерная плоскость, включающая в себя бесконечное количество точек. И двумя различимыми состояниями здесь являются два взаимно перпендикулярных вектора, таких, например, как оси иск и игрек, на которых строится обычная декартова плоскость. На длины векторов мы не обращаем внимания, они все нормируются на единицу, нам важны только различные направления, в которые эти векторы могут указывать. Но вот вопрос: сколько точек в системе, состоящей из двух точек? Очевидно, две. А теперь другой вопрос: сколько разных векторов одинаковой длины, выходящих из одной и той же точки, можно нарисовать на двухмерной плоскости? В общем случае, бесконечно много.
В этом-то и заключается принцип суперпозиции. По определению, каждый из таких векторов, которые можно нарисовать на плоскости с двумя осями, является состоянием системы. Когда мы измеряем систему нашими макроскопическими классическими приборами, мы случайным образом получаем только один из двух результатов, описываемых взаимно перпендикулярными векторами (их можно для простоты назвать состояниями «орел» и «решка»). Но до взаимодействия с классическим прибором кубит может находиться в любом из бесконечного набора состояний, получающихся при сложении этих двух состояний с разными коэффициентами.
Но мы не можем непосредственно увидеть квантовые эффекты. В классическом мире проявление таких эффектов привело бы к парадоксам. Самый известный парадокс, связанный с проявлением квантовых эффектов на макроскопическом уровне, — - это «Кот Шрёдингера», мысленный эксперимент, предложенный одним из создателей квантовой механики, Эрвином Шрёдингером.
Вообще-то кубит обычно описывается не двухмерной плоскостью, а двухмерной поверхностью шара в трехмерном пространстве, так называемой сферой Блоха (Рисунок в заголовке). В этом случае «орел» — - это вектор вверх, также соответствующий значению кубита «0», находящемуся на северном полюсе сферы, а «решка» — - вектор вниз, она же «1», находящаяся на южном. Мы можем выбрать сколько угодно разных векторов, таких как икс или игрек на рисунке, чтобы обозначать какую-нибудь произвольную «решку», но как только мы выбрали один, у нас остается только одна возможность выбрать второй. Поэтому, несмотря на бесконечное количество произвольных векторов, таких как ψ (пси), которые существуют на сфере Блоха, вся эта схема описывает квантовую систему, которая может принимать только два значения. Именно эта недоступная для классических систем внутренняя структура является одним из компонентов, обеспечивающих работу квантовых компьютеров.
Из описания целой системы одной волновой функцией возникает и вторая фундаментальная концепция, используемая в квантовых компьютерах: нелокальность, она же запутывание. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что некоторые свойства квантовой системы мы не можем измерить одновременно со сколь угодно большой точностью. Например, если мы хотим одновременно узнать скорость и положение в пространстве частицы, мы не можем узнать одно, не повлияв на другое, ведь если частица очень мала, то даже свет, которым мы ее освещаем, чтобы увидеть, где она, собьет ее с пути и изменит ее скорость. Но что, если мы возьмем две одинаковые частицы, разлетающиеся в разные стороны с одинаковыми скоростями, получившиеся, например, при распаде третьей частицы? Когда они разлетятся достаточно далеко друг от друга, и наши операции с одной из них не смогут повлиять на другую, мы сможем померить у одной из них скорость, а у другой – положение со сколь угодно большой точностью. Но так как они разлетались с одинаковой скоростью, мы теперь знаем и положение и скорость как минимум одной из них с точностью, которая невозможна по принципу неопределенности. А ведь принцип неопределенности напрямую вытекает из математики и постулатов квантовой механики. Так что же получается, мы только что опровергли квантовую механику? Эйнштейн, в любом случае, думал именно так, когда предлагал этот мысленный эксперимент, получивший название парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР). Эйнштейн не рассматривал ЭПР-парадокс как описание какого-либо действительного физического феномена. Это была именно мысленная конструкция, созданная для демонстрации противоречий принципа неопределённости. В 1947 году в письме Максу Борну он назвал подобную связь между запутанными частицами «жутким дальнодействием»: «Я не могу в это поверить, так как (эта) теория непримирима с принципом того, что физика должна отражать реальность во времени и пространстве, без (неких) жутких дальнодействий».
Эйнштейн и не предполагал, что меньше чем через пятьдесят после публикации этой статьи, эксперимент ЭПР удастся совершить в реальности. И что же обнаружилось, когда его, наконец, провели? Оказалось, что мы не можем независимо измерить две запутанные частицы: как только мы измеряем положение одной, другая прыгает, изменяя скорость. «Жуткие дальнодействия», которые Эйнштейн отказывался даже вообразить, оказались физической реальностью. Но как же это происходит? С математической точки зрения все очень просто: обе частицы описываются одной и той же волновой функцией, они представляют собой одну систему, единое целое, вне зависимости от того, как далеко они друг от друга находятся. Поэтому, когда мы воздействуем на одну из них, мы изменяем всю систему, а, значит, и вторую частицу тоже. Что происходит на самом деле? Никто не знает. Интерпретация квантовой механики – до сих пор не решенная проблема. Существует ли какая-то реальная граница между квантовым и классическим мирами, на которой волновые функции схлопываются быстрее скорости света, давая обычные частицы? Есть ли какие-то скрытые взаимодействия, связывающие частицы сквозь пространство и время вопреки теории относительности? Или, может быть, весь мир – это одна огромная запутанная волновая функция, находящаяся в суперпозиции всех возможных событий, жизней, вселенных, а «объективная реальность», к которой мы так привыкли – всего лишь плод нашего воображения? У науки пока нет ответов на эти вопросы. Но это не мешает ученым пользоваться свойствами квантовых систем и пытаться найти им применения, такие, например, как квантовый компьютер.
2. Устройство и принципы работы абстрактного квантового компьютера
Информация в обычном компьютере содержится в виде битов, то есть, по сути, полупроводников, каждый из которых может или проводить ток или не проводить, то есть быть включенным или выключенным, что обозначается, соответственно, единицей или нулем. Каждый бит содержит столько же информации сколько и один ответ в форме «да или нет»: ноль значит нет, один значит да.
В квантовом компьютере информация содержится в виде кубитов, каждый из которых, как мы уже увидели, может находиться в состоянии «да», в состоянии «нет», а еще в состоянии суперпозиции первых двух вариантов, когда у нас получается что-то вроде знаменитого «да, нет, наверное». Но самое интересное начинается, когда мы соединяем суперпозицию с запутыванием. При помощи запутывания мы можем объединить в одну систему несколько кубитов, и чем больше кубитов мы объединим, тем заметнее станет разница. Посмотрим, как изменяется количество информации в битах и кубитах, когда мы изменяем их количество. В одном бите – один бит информации, упрощая можно сказать, что нам нужно одно число, чтобы его описать, единица. Или ноль, неважно. Один кубит, находящийся в суперпозиции своих двух состояний и являющийся, по сути, вектором в двухмерном пространстве, требует для своего описания два комплексных коэффициента, по одному для вклада каждого из двух состояний. Упрощая – две цифры. Для описания одного состояния системы из двух битов нам нужно две цифры, но уже четыре для двух кубитов – по одной на каждое из состояний каждого кубита. Для трех битов, понятно, нам нужно три параметра. Для трех кубитов же – уже восемь. Откуда восемь? У нас есть восемь ортогональных состояний (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111), а значит, в состоянии суперпозиции кубит будет описываться вектором в восьмимерном пространстве. Для описания такого вектора нам нужно восемь параметров. В общем случае, для описания системы из n кубитов нам нужно 2n комплексных параметров. Именно отсюда и растут ноги у всех квантовых алгоритмов, пытающихся получить экспоненциальный прирост в скорости. Нужно только помнить, что вся эта потенциально заключенная в квантовой суперпозиции информация нам на самом деле недоступна. Как только мы измеряем любую квантовую систему, мы получаем из n кубитов строчку в n единиц и нулей, а все эти экспоненциально большие количества комплексных коэффициентов безвозвратно пропадают. Впрочем, и это тоже не совсем правильно. Их там никогда и не было, все эти комплексные коэффициенты – это всего лишь наш метод для описания непредставимого сосуществования взаимоисключающих состояний. Ведь в микромире нет никаких векторов в многомерных пространствах, есть только точечные частицы (они же волны), которые крутятся (хотя на самом деле, конечно, не крутятся) вокруг своей оси (которой у них нет) по часовой и против часовой стрелки, причем, несмотря на то, что они крутятся в обе стороны одновременно, в одну из них они могут крутиться больше, чем в другую. И не спрашивайте «Да как же это возможно?», никто не знает.
Итак, в основе устройства квантового компьютера находятся кубиты, соединенные с помощью запутывания в единую систему. При этом пространство состояний этой системы оказывается экспоненциально бо̀льшим, чем пространство состояний системы такого же количества классических битов. Но что же дальше, как происходят вычисления на квантовом компьютере?
Сначала нам нужно записать исходную информацию на имеющиеся у нас кубиты. Конкретные методы варьируются в зависимости от того, какие именно физические объекты выступают у нас в роли кубитов, но мы можем, например, в случае токов в сверхпроводящих проводниках, запустить магнитным полем ток в ту или в другую сторону по проводнику, что будет значить, соответственно, ноль или один. Обратите внимание, что мы можем подготавливать кубиты только в чистых состояниях: возможность создания заранее заданного состояния суперпозиции противоречит законам квантовой механики. Суперпозиции должны возникать сами в процессе вычисления и исчезать, когда мы узнаем конечный результат. И мы принципиально не можем знать конфигурацию квантового компьютера в процессе вычисления, ведь если мы заглянем внутрь до того, как оно будет закончено, мы нарушим запутанность волновой функции, и работа компьютера будет прервана, так и не дав никакого результата.
После того, как мы записали на кубиты начальное состояние, система в соответствии с программой изменяется с помощью унитарных преобразований, выполняющих те или иные логические операции. В математическом смысле унитарные преобразования – это специальный тип матриц, которые воздействуют на вектор волновой функции в пространстве состояний системы. Каждое такое преобразование – это, по сути, просто поворот вектора, описывающего систему, в пространстве всех ее возможных состояний. Сами же логические преобразования очень простые и очень похожи на логические операции, используемые в обычных компьютерах: «не» (сменить знак переменной), «если, то» (посмотреть, удовлетворяет ли переменная какому-то условию) и т.д. Главное отличие квантовых преобразований от классических – в том, что любой поворот вектора, а, значит, и любое унитарное преобразование, является обратимым, в то время как в процессе обычных логических операций информация может теряться (например, выбрать значения X
Так чем же все-таки квантовый компьютер принципиально лучше обычного? Это становится видно в процессе их работы. Допустим, нам нужно просчитать несколько разных вариантов развития какой-то ситуации, а потом сравнить их и выбрать оптимальный. Как будет работать обычный компьютер? По заданному алгоритму он будет вычислять результаты тех или иных действий. Когда он будет приходить к ситуации, в которой какое-то действие может быть либо совершено, либо нет, он будет, например, сначала выбирать ситуацию, в которой оно совершено не было. Тогда какой-то из битов будет переведен в состояние «0», то есть «выключено», и дальше электрический сигнал пойдет по цепочке соответствующей такой модели сценария. Потом, когда вычисления для первого сценария будут завершены, он перейдет вычислениям для второго.
Квантовый же компьютер, с другой стороны, подойдя к подобной развилке, просто примет состояние суперпозиции вариантов «включено» и «выключено» для аналогичного кубита, и дальше вычисления пойдут по двум сценариям одновременно. Вот вам и увеличение производительности в два раза. И такое удвоение производительности может, в принципе, происходить на каждом кубите. Учитывая, что количество транзисторов (то есть, фактически, максимальное количество битов информации, которые процессор может обработать на одну операцию) в современных процессорах исчисляется миллиардами, квантовый компьютер с таким количеством кубитов мог бы за один раз производить параллельно ~ 2^(1.000.000.000) вычислений. Это число примерно на триста миллионов порядков больше количества элементарных частиц во всей известной Вселенной. На таких компьютерах, наверное, можно было бы эффективно моделировать целые галактики с точностью до каждого атома в каждой песчинке на каждой планете, вращающейся вокруг каждой из миллиардов звезд.
Пока что нам до таких вычислений, конечно, как до звезд небесных. Несмотря на то, что любой классический алгоритм может быть смоделирован на квантовом компьютере, только очень редкие классические алгоритмы могут быть эффективно на таком компьютере ускорены. Тем не менее, даже те немногие алгоритмы, которые удалось ускорить, привлекли к идее квантовых вычислений огромное внимание разных людей, спонсирующих сегодня такие исследования. Эти алгоритмы позволяют ускорять решение многих задач, связанных с перебором вариантов и поиском в больших базах данных (алгоритм Гровера). Другие алгоритмы позволяют эффективно моделировать квантовые системы, что наверняка окажется незаменимым для теоретической физики и нанотехнологий (алгоритм Залки-Визнера). Но алгоритмом, который привлек наибольшее внимание, а также государственное финансирование (в том числе и от ЦРУ), оказался алгоритм Шора, позволявший за полиномиальное время разложить натуральное число на простые множители.
Значимость алгоритма заключается в том, что с его помощью (при использовании квантового компьютера с несколькими сотнями логических кубитов) становится возможным взлом криптографических систем с открытым ключом. К примеру, одна из таких систем, RSA, использует открытый ключ M, являющийся произведением двух больших простых чисел. Один из способов взломать шифр RSA — найти множители M. При достаточно большом M это практически невозможно сделать, используя известные классические алгоритмы. Наилучший из известных классических алгоритмов факторизации требует времени порядка M^(1/3). Алгоритм Шора, используя возможности квантовых компьютеров, способен произвести факторизацию числа не просто за полиномиальное время, а за время, не намного превосходящее время умножения целых чисел (то есть практически так же быстро, как происходит само шифрование). Таким образом, создание полнофункционального квантового компьютера поставила бы крест на большей части современной криптографической защиты. И речь здесь идет не только о схеме RSA, прямо опирающейся на сложности факторизации, но и о других сходных схемах, которые квантовый компьютер способен взломать аналогичным образом.
По завершении работы алгоритма мы считываем состояние компьютера как квантовой системы, которое и является ответом. По законам квантовой механики, делая это, мы получаем правильный ответ только с некоторой вероятностью, потому что система может находиться в состоянии суперпозиции правильного и неправильного ответов в некотором соотношении. Но это не проблема, потому что за счёт небольшого увеличения количества операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.
Но если все это так просто, почему же полномасштабный квантовый компьютер до сих пор не был реализован? Что удерживает агентов ЦРУ от того, чтобы получить доступ ко всей защищенной информации в Интернете? Существует несколько очень важных условий, которым квантовые компьютеры должны для полноценной работы удовлетворять, и которым существующие на сегодня лабораторные прототипы в большинстве случаев соответствуют недостаточно. Создание машины, которая полностью удовлетворяла бы всем этим условиям – одна из фундаментальных задач физики 21-го века.
polymus.ru
Квантовый компьютер. Принцип работы
Содержание:
- Квантовый компьютер: принцип работы, из чего он сделан?
- Квантовый компьютер. Что это такое простыми словами?
- Самый мощный квантовый компьютер в мире
- Квантовый компьютер D-Wave
Такие машины просто необходимы сейчас в любой сфере: медицине, авиации, исследованиях космоса. В настоящее время разработкой ЭВМ на основе квантовой физики и вычислительных технологий. Основы работы такого вычислительного аппарата пока не доступны обычным пользователям и принимаются как нечто непостижимое. Ведь далеко не все знакомы с фотонными свойствами элементарных частиц и атомов. Чтобы хотя бы немного понять, как работает этот компьютер, нужно знать и понимать элементарные принципы квантовой механики. По большей мере эту когерентную ЭВМ разрабатывают для NASA.
Квантовый компьютер: принцип работы, из чего он сделан?
Обычная машина выполняет операции, используя классические биты, которые могут принимать значения 0 или 1. С другой стороны фотонный вычислительный аппарат использует когерентные биты или кубиты. Они могут принимать значения 1 и 0 одновременно. Именно это отдает такой вычислительной технике их превосходящую вычислительную мощь. Существует несколько типов исчислительных объектов, которые могут быть использованы в роли кубитов.
- Фотон.
- Ядро атома.
- Электрон.
У всех электронов есть магнитное поле, как правило, они похожи на маленькие магниты и это их свойство называется спином (spin). Если их поместить в магнитное поле, они подстроятся под него так же, как это делает компасная стрелка. Это положение самой низкой энергии, так что мы можем назвать его нулем или нижним спином. Но можно перенаправить электрон в состояние «один» или в верхний спин. Но для этого необходима энергия. Если достать стекло из компаса, можно будет перенаправить стрелку в другом направлении, но для этого необходимо приложить силу.
Есть две принадлежности: нижний и верхний спин, которые соответствуют классическим 1 и 0 соответственно. Но дело в том, что фотонные объекты могут находиться в двух положениях одновременно. Когда измеряется спин, он будет либо верхним, либо нижним. Но до измерения электрон будет существовать в, так называемой, квантовой суперпозиции, в которой эти коэффициенты указывают относительную вероятность нахождение электрона в том или ином состоянии.
Довольно сложно представить, как это дает когерентным аппаратам их невероятную исчислительную мощь, не рассматривая взаимодействие двух кубитов. Теперь существует четыре возможных состояния этих электронов. В типичном примере двух бит нужно только два бита информации. Так что два qubit содержит в себе четыре вида информации. А значит, надо знать четыре числа, чтобы знать положение системы. А если взять три спина, то получится восемь разных положений, а в типичном варианте нужны будут три бита. Получается, что количество информации, содержащееся в N qubits, равно 2N типовых бит. Показательная функция говорит, что если, например, будет 300 кубитов, то придется создать сумасшедшее-сложные суперпозиции, где все 300 qubit будут связаны между собой. Тогда получается 2300 классических бит, а это равно количеству частиц во всей вселенной. Отсюда следует, что требуется создать логическую последовательность, которая даст возможность получить такой результат исчислений, который можно будет измерить. То есть состоящий только из стандартных принадлежностей. Получается, что когерентная машина это не замена обычным. Они быстрее только в вычислениях, где есть возможность использовать все доступные суперпозиции. А если Вы хотите просто посмотреть качественное видео, пообщаться в интернете или написать статью для работы, фотонная ЭВМ не даст Вам никаких приоритетов.
В этом видео описан процесс работы квантового компьютера.
Квантовый компьютер. Что это такое простыми словами?
Если говорить простыми словами, то когерентная система рассчитана не на скорость исчисления, а на необходимое количество для достижения результатов, которое будет происходить за минимальную единицу времени.
Работа классической ЭВМ основана на обработке информации с помощью кремниевых чипов и транзисторов. Они используют бинарный код, который в свою очередь состоит из единиц и нулей. Когерентная же машина работает на основании суперпозиции. Вместо битов применяются qubit. Это позволяет не только быстро, но и максимально точно вести расчеты.
Самый мощный квантовый компьютер в мире
Какой же будет самая мощная фотонная исчислительная система? К примеру, если фотонная вычислительная машина имеет тридцати кубитную систему, то его мощность составит 10 триллионов вычислительных операций в секунду. В настоящее время самый мощный двух битный компьютер считает один миллиард операций в секунду.
Большая группа ученых из разных стран разработала план, согласно которому размеры фотонного аппарата будут близки к габаритам футбольного поля. Он и будет самым мощным в мире. Это будет некая конструкция из модулей, которая размещается в вакууме. Внутренность каждого модуля это ионизированные электрические поля. Именно с их помощью будут образовываться некие части схемы, которые будут выполнять простые логические действия. Образец такой фотонной исчислительной технике разрабатывается в Университете Сассекса в Англии. Ориентировочная стоимость на данный момент более 130 миллионов долларов.
Квантовый компьютер D-Wave
Десять лет назад компания D-Wave представила первый в мире когерентный компьютер, который состоит из 16 кубитов. Каждый qubit в свою очередь состоит из кристалла ниобия, который помещен в катушку индуктивности. Электрический ток, который подается на катушку, образовывает магнитное поле. Далее оно изменяет принадлежность, в котором находится qubit. С помощью такой машины можно с легкостью выяснить, как синтетические лекарственные средства взаимодействуют с белками крови.Или появится возможность определить такое заболевание как рак на более раннем этапе.
Как выбрать роутер: популярные модели и категории выбора.
Как сделать скриншот экрана: сохраняем данные на ноутбуке.
nazvania.net
Принцип работы квантового компьютера - 20 Мая 2018
Вести о создании полноценного квантового компьютера в самые скорые сроки доносились уже давно, но чаще всего они оборачивались надуманными журналистскими сенсациями. Однако в последнее время ученые действительно значительно продвинулись в этом направлении, что позволяет говорить о реальности перспективы создания квантового компьютера в ближайшие годы. В настоящее время существует квантовое вычислительное устройство, состоящее только из семи кубитов, но то ли еще будет.
Несмотря на всю шумиху вокруг этого изобретения, широкая публика плохо представляет даже в общих чертах механизм функционирования квантового компьютера. Между тем, принцип работы квантового компьютера описал еще Фейнман. Суть его такова: если взять несколько квантовых элементов (кубитов), обладающих двумя квантовыми уровнями, то в результате получится существование системы с 2N независимыми состояниями, причем N является количеством квантовых элементов, которые существуют в системе.
В квантовой теории существует принцип суперпозиции. Благодаря его действию, все функционирование этой квантовой системы можно рассматривать как пространство с количеством измерений 2N, точки в котором означают потенциальные состояния рассматриваемой системы: в зависимости от того, с помощью какой точки можно отобразить положение системы в этом пространстве, можно дать ту или иную исчерпывающую характеристику квантовой системе. Поворот в этом пространстве, задающий смену состояний, и называется квантовой вычислительной операцией.
Принцип работы квантового компьютера
Благодаря данному принципу работы такой компьютер может в одно и то же время выполнять огромное количество операций. Но дело не только в количестве: даже компьютер из нескольких кубитов сделает возможным решение некоторых важных физических проблем. Например, благодаря данному компьютеру смогут осуществиться измерения Белла, которые позволят значительно продвинуться в решении проблемы квантовой телепортации. А чуть более мощный квантовый компьютер позволит осуществить эксперименты, позволяющие найти точное решение парадокса Эйнштейна–Подольского–Розена, и, по сути, позволит осуществить проверку многих фундаментальных принципов квантовой теории.
А в более утилитарных сферах человеческой деятельности появление квантовых компьютеров будет означать практически крах современной системы безопасности хранения данных. Возможно, это приведет к потере значительных финансовых ресурсов и рычагов влияния многими общественными институтами и представителями крупного капитала. Впрочем, все это только предположения.
В любом случае, последствия появления мощных квантовых компьютеров человечеству вскоре придется испытать на себе.
Принцип работы квантового компьютера
www.robotblog.ru
