Квантовый компьютер как вычислительное устройство. Что такое квантовый компьютер простым языком

Существует ли квантовый компьютер? Принцип его работы

Содержание

Что такое квантовый компьютер?

Принцип работы квантового компьютера

Когда появятся квантовые компьютеры, адаптированные для домашних условий?

Что такое квантовый компьютер?

Сердцем всех этих устройств является кремниевый процессор, собранный из бесконечного множества транзисторов. Они интерпретируют проходящее через них напряжение как ноль или как единицу. Именно на системе двоичного кода и основана работа вычислительных устройств. Вся информация, которую содержат и выдают ЭВМ на экран — это комбинации нулей и единиц. Таким образом, одновременно в процессоре происходит великое множество математических вычислений и если процессов запущено слишком много, то ЭВМ с такой нагрузкой не справляется, что приводит к снижению качества и скорости ее работы.

Что же такое квантовый компьютер и чем он отличается от классического компьютера с кремниевым процессором? Существует ли реальное преимущество такой ЭВМ по сравнению с обычной? Данная ЭВМ предлагает нам принципиально иной процесс вычисления. На службу данного вычислительного устройства поставлены такие явления, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность. Человеку, далекому от науки, эти понятия не говорят ровным счетом ни о чем. Итак, по порядку.

Что же такое квантовая суперпозиция? Данная концепция предусматривает наличие двух взаимоисключающих состояний. Проще говоря, речь идет о том, что система или явление существует одновременно во всех теоретически возможных для себя состояниях. Как это выглядит на практике? Каждое состояние системы имеет свою долю вероятности — от нуля до ста процентов. Такая ЭВМ имеет в своей системе все возможные варианты ее состояний в том или ином процентном соотношении, значит, может решать ряд задач одновременно. Принцип работы такой ЭВМ в корне отличается от принципа работы обычной — пока обычная перебирает все имеющиеся варианты, квантовая уже имеет их в наличии и просто выбирает нужный. Таким образом, скорость работы вычислительного устройства увеличивается в разы!

Но далее возникает проблема, как интерпретировать результаты вычисления. Если с простым вычислительным устройством все просто — ноль означает отсутствие заряда, а единица его наличие, то, как интерпретировать данные процессора нового вида? Тут и применяется такое загадочное явление, как квантовая запутанность. Суть данного явления заключается в том, что мы получаем пару частиц, которые связаны между собой. Что же это значит? Это значит, что если заряд одной частицы положительный, то заряд другой — отрицательный.

Благодаря данной концепции кубиты превращаются в обычные биты.

Какая же на сегодняшний день самая мощная квантовая ЭВМ? Сегодня самым мощным вычислительным устройством квантового принципа действия является ЭВМ с мощностью в 51 кубит. 51-кубитный компьютер был создан в Гарварде, в ходе совместной научной работы ученых из России и США в 2017-ом году. На сегодняшний день он самый мощный в мире среди вычислительных устройств с квантовым процессором. Кто же изобрел это, без преувеличения, произведение компьютерного искусства? Идея создания принадлежит ученому Михаилу Лукину. Применение же квантовых вычислений для решения задач в области математики предложил еще в восьмидесятых годах ученый Юрий Манин.

Первый компьютер был создан в США и обладал мощностью всего в пять кубит. Компания D-Wawe выпустила компьютер квантового принципа действия D-wawe 2000q. Данное вычислительное устройство по всем параметрам превосходит классические ЭВМ и может составить им достойную конкуренцию. Всемирно известные компании по производству вычислительной техники — IBM и Microsoft также взяли курс на разработку и создание квантовых вычислительных машин. Таким образом, на рынке вычислительной техники формируется устойчивая тенденция к разработкам в сфере квантовых процессоров. И это не удивительно, ведь такой компьютер более мощный и быстродейственный по сравнению с классическим компьютером, а также превосходит его по многим иным параметрам, поэтому имеет ряд преимуществ в сфере применения.

Принцип работы квантового компьютера

Как устроен квантовый компьютер? Устройство квантовой ЭВМ в корне отличается от классического компьютера. Основным принципом работы такого механизма является наличие двух квантовых состояний, в котором пребывают частицы. И в этом состоит отличие данной вычислительной машины от обычной. Как работает данный принцип и каковы его возможности? Если в обычной ЭВМ изменение состояния одного бита не влияет на другие, то в квантовом изменение одной частицы влечет за собой изменение всех. И самое главное, что эти изменения подконтрольны и управляемы. В этом и есть главный секрет быстродействия и мощности принципиально новой вычислительной машины.

При таком раскладе скорость и производительность машины, и многие другие характеристики повышаются в разы, что позволяет решать несколько задач одновременно. По сравнению с данным механизмом, классическая ЭВМ становится просто неконкурентоспособной. Что же такое кубиты, на которых основана работа квантовой ЭВМ? Что это такое простыми словами описать достаточно сложно. Если кратко, то кубит — это квантовый заряд. Это «винтик» квантовой ЭВМ.

Чем кубит отличается от обычного бита? Стоит заметить, что их суть имеет много общего. Обе эти элементарные частицы могут находиться в двух состояниях, но если бит находится либо в состоянии «ноль», то есть отсутствия заряда, либо в состоянии «единица», то есть наличия заряда, то кубит находится в состоянии их суперпозиции, то есть теоретически имеет возможность находиться в обоих состояниях. Меняя свое состояние, кубит меняет состояние и остальных кубитов. В этом еще одно принципиальное отличие от бита, который, меняясь сам, при этом не влияет на своих «собратьев».

Использование кубитов в вычислительных машинах открывает новые горизонты и возможности в эксплуатации ЭВМ. Единственным недостатком квантового компьютера является невозможность его использования в домашних условиях. В чем же причина данной проблемы? Если описывать кратко, то причина невозможности использования квантового процессора состоит в отсутствии благоприятных условий для состояния суперпозиции кубита. Для такого состояния необходимы следующие условия:

идеальный вакуум;
отсутствие электромагнитных волн вокруг;
нулевая температура.

Можно ли создать такие условия дома? Вопрос риторический, поэтому массовое использование таких ЭВМ пока остается всего лишь несбыточной мечтой. Что касается компьютеров D-wawe, которые представлены как квантовые, то они, увы, квантовыми вовсе не являются, так как не используют явление квантовой запутанности. Однако, справедливости ради, стоит заметить, что даже такие устройства превосходят обычные ПК по многим параметрам. Что же такое квантовая запутанность простым языком? Объяснение для чайников будет следующим — это взаимозависимость частиц, исходя из которой, изменение одной частицы неизбежно ведет к изменению другой. В контексте квантовых ЭВМ, изменение одного кубита ведет к изменению состояния остальных, о чем мы говорили ранее.

Когда появятся квантовые компьютеры, адаптированные для домашних условий?

У людей, вдохновленных возможностями квантовых ЭВМ, конечно же, возникнет вопрос: «Когда появятся квантовые компьютеры дома у каждого?». Но на этот вопрос ответа, увы, пока что нет. На сегодняшний день использование таких устройств в домашних условиях невозможно и пока что нет реальных идей для решения данной проблемы. В КНР идут полномасштабные исследования в сфере квантовых ЭВМ, затрачиваются огромные объемы финансов и ресурсов. «Еx oriente lux» (Свет с Востока), возможно, следует ждать из КНР, которая уже сейчас продвинулась в своих научных исследования в сфере квантовых компьютеров.

Но на сегодняшний день идея об использовании квантовых ЭВМ в домашних условиях, увы, остается несбыточной мечтой. Эволюция вычислительных машин неизбежна, как неизбежно рождение новой луны на небосводе. Подобно тому, как на смену старой луне приходит новая, так на смену кремниевым процессорами придут квантовые. А пока что остается довольствоваться классическими кремниевыми процессорами, производительность и скорость которых оставляет желать лучшего.

1000sovetov.ru

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

3 кубита квантового регистра против 3 битов обычного

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

Введение

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

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

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

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

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

Квантовое состояние может изменяться во времени двумя принципиально различными путями:

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

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

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

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

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

Теория

Кубиты

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

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

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

Пример:

Имеется кубит в квантовом состоянии В этом случае, вероятность получить при измерении

0	составляет	(4/5)²=16/25	= 64 %,
1		(-3/5)²=9/25	= 36 %.

В данном случае, при измерении мы получили 0 с 64 % вероятностью. В результате измерения кубит переходит в новое квантовое состояние , то есть, при следующем измерении этого кубита мы получим 0 со стопроцентной вероятностью (предполагается, что по умолчанию унитарная операция тождественна; в реальных системах это не всегда так).

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

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

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

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

В первом случае измерение даст состояние , во втором — состояние

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

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

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

Вычисление

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

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

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

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

Алгоритмы

Главная статья Квантовый алгоритм

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

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

Квантовая телепортация

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

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

Применение квантовых компьютеров

Специфика применения

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

Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:

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

Приложения к криптографии

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

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

Физические реализации квантовых компьютеров

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

История

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

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

Главные технологии для квантового компьютера:

Твердотельные квантовые точки на полупроводниках: в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (нахождение или отсутствие электрона в определенной точке) либо направление электронного и/или ядерного спина в данной квантовой точке. Управление через внешние потенциалы или лазерным импульсом.
Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, сквиды и др.). В качестве логических кубитов используются присутствие/отсутствие куперовской пары в определенной пространственной области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.
Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). В качестве логических кубитов используются основное/возбужденное состояния внешнего электрона в ионе. Управление: классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на индивидуальные ионы + колебательные моды ионного ансамбля.
Смешанные технологии: использование заранее приготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными ансамблями или как элементы управления классическими вычислительными сетями.

В феврале 2012 года компания IBM сообщила о достижении значительного прогресса в физической реализации квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитов которые, по мнению компании, позволят начать работы по созданию квантового компьютера[13].

В апреле 2012 года группе исследователей из Южно-Калифорнийского университета, Технологического университета Дельфта, университета штата Айова, и Калифорнийского университета, Санта-Барбара, удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза с примесями. Компьютер функционирует при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым. В качестве двух логических кубитов использовались направления спина электрона и ядра азота соответственно. Для обеспечения защиты от влияния декогерентности была разработана целая система, которая формировала импульс микроволнового излучения определенной длительности и формы. При помощи этого компьютера реализован алгоритм Гровера для четырёх вариантов перебора, что позволило получить правильный ответ с первой попытки в 95% случаев[14][15].

Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках

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

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

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

Заявления D-Wave

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

См. также

Примечания

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

Литература

Статьи

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

Книги

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

Ссылки

dikc.academic.ru

Квантовый компьютер IBM: химия на субатомном уровне

Инженеры IBM смоделировали взаимодействие между субатомными компонентами сложной молекулы с использованием квантового компьютера. Результат их работы в будущем позволит моделировать взаимодействие между различными веществами с невероятной точностью.

Василий Макаров

20 сентября 2017 15:00

Молекулярная симуляция уже давно не является чем-то революционным, и даже современный пользовательский компьютер сможет осуществлять подобные операции при наличии соответствующего ПО. К тому же, модель может включать в себя гораздо больше трех атомов. В прошлом году инженеры Google смоделировали связь пары атомов водорода на собственном компьютере, продемонстрировав доказательство того, что подобные операции возможно, но есть один очень важный нюанс. Даже крупнейшие суперкомпьютеры современности не могут справиться с экспоненциальным характером отслеживания взаимодействий каждого нового электрона, участвующего в связях между молекулами. А вот для квантового компьютера подобная задача — все равно, что послеобеденная прогулка в парке.

Квантовые технологии в наши дни

Последнее время разработки в области квантовых вычислительных технологий все чаще попадают под пристальное внимание СМИ. Крупные игроки на бирже информационных технологий вкладывают значительные средства в борьбу за «квантовое превосходство» — ту гипотетическую границу, после которой квантовые компьютеры из экспериментальных установок превращаются в по-настоящему практичные и доступные инструменты, на порядок превосходящие современные устройства по эффективности. Дело не только в научном, но и в самом банальном экономическом интересе: та компания, которая первой разработает и выпустит на рынок компьютеры нового поколения, сорвет солидный куш — как со стороны военных и научно-технических корпораций, так и со стороны рядового пользователя.

Так выглядит квантовый компьютер Google D-Wave

Что такое «квантовый компьютер», если говорить простым языком? Это устройств, которое использует двоичные состояния частиц в определенных видах вычислений так же, как цифры 0 и 1 используются в двоичном коде. К примеру, частица может обладать свойством суперпозиции — размытой неопределенностью, которая может быть применена в вычислениях. Обычному компьютеру для этого потребовалось бы слишком большое время, а потому сейчас применение квантовых систем вычисления в тех или иных областях науки более чем оправдано.

Практическое использование квантовых компьютеров

Взять, к примеру, химию. Помните рисунки, с помощью которых школьные химики объясняют ученикам, что такое атом и электроны? Атом — кружок в центре, вокруг которого на кольцевых орбитах в тех или иных точках нарисованы кружки поменьше — электроны. Это чем-то напоминает Солнечную систему, но подобная схема хороша лишь для самого примитивного объяснения — к реальности она имеет весьма отдаленное отношение. На самом деле, электроны не ведут себя как маленькие сферы энергии: они находятся в феноменально огромном количестве потенциальных состояний, расчет которых лишь усложняется с каждым новым электроном, который участвует в образовании связей. Изучению этого феномена физики посвятили целую область, которая называется теорией многих тел. Она исследует и описывает коллективное поведение систем, состоящих из множества взаимодействующих друг с другом частиц.

Для расчетов возможных взаимодействий компьютерам необходимы огромные вычислительные мощности. Поскольку часто они недоступны для рядовых ученых, физики прибегают к упрощениям. К примеру, существует целая группа численных методов под общим названием «метод Монте-Карло», основанных на получении большого числа случайных значений. Но когда дело доходит до увеличения количества частиц в системе, эти методы перестают быть актуальными, и лишь наличие квантового компьютера поможет ученым избежать ошибок.

Но здесь возникает еще одна важная проблема: квантовые компьютеры даже самых последних моделей тоже могут ошибаться. Инженеры IBM взяли в качестве модели Beh3 — не самую сложную и замысловатую молекулу на земле, но даже в таком случае расчеты велись в микросекундах (1 микросекунда = 10-6 секунд). Цель исследования заключалась в том, чтобы разработать эффективный алгоритм, описывающий расположение частиц в трехатомных молекулах, в том числе в молекулах гидрида лития и гидрида бериллия. В своем блоге исследовательская группа IBM отмечает, что «новая схема отличается от ранних алгоритмов квантового моделирования, которые направлены на адаптацию классических схем молекулярного моделирования к квантовому оборудованию — и при этом не учитывают расходы на современные квантовые устройства». Иными словами, IBM пошла по пути не только научности, но и выгоды, что лишь играет квантовым технологиям на руку.

Будущее квантовых технологий

Что это значит для всего человечества? Подобные технологии квантового моделирования чрезвычайно важны для медицины. С их помощью фармакологи будущего смогут предсказать результат воздействия лекарства на организм человека еще на стадии разработки, что позволит качественно увеличить вероятность успешного лечения. Но, разумеется, медициной все не ограничивается: любая промышленность так или иначе связана с взаимодействием частиц различных материалов друг с другом, а потому «квантовая эра» в буквальном смысле выведет технологии на качественно новый уровень.

www.popmech.ru

Что такое квантовый компьютер

Вы все привыкли к нашим компьютерам: утром читаем новости со смартфона, днем работаем с ноутбуком, а вечером смотрим фильмы на планшете. Все эти девайсы объединяет одно — кремниевый процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Принцип работы таких транзисторов достаточно прост — в зависимости от подведенного напряжения мы получаем на выходе другое напряжение, которое интерпретируется или как логический 0, или как логическая 1. Для того, чтобы проводить операции деления, есть битовый сдвиг — если у нас, к примеру, было число 1101, то после сдвига на 1 бит влево будет 01101, а если теперь сдвинуть его на 1 бит вправо — будет 01110. И основная проблема кроется в том, что для все того же деления может понадобиться несколько десятков таких операций. Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много — мы теряем на эти вычисления время.

Принцип работы квантовых компьютеров

Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения:

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных.

Понятнее явно не стало. Квантовая суперпозиция говорит нам о том, что система с какой-то долей вероятности существует во всех возможных для нее состояниях (при этом сумма всех вероятностей, разумеется, равна 100% или 1). Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах — если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999. 9999 в двоичной системе имеет вид 10011100001111, то есть для его записи нам нужно 14 бит. Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами — мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами? Не проблема, сделайте систему с таким же количеством кубитов, сколько у вас требований к веществу — и ответ уже будет у вас в кармане. Нужно создать ИИ (искусственный интеллект? Проще некуда: пока обычный ПК будет перебирать все комбинации, квантовый компьютер сработает молниеносно, выбрав лучший ответ.

Казалось бы, все здорово, но есть одна важная проблема — как нам узнать результат вычислений? С обычным ПК все просто — мы можем взять и считать его, напрямую подключившись к процессору: логические 0 и 1 там совершенно определенно интерпретируются как отсутствие и наличие заряда. Но вот с кубитами такое не пройдет — ведь в каждый момент времени он находится в произвольном состоянии. И тут нам на помощь приходит квантовая запутанность. Ее суть заключается в том, что можно получить пару частиц, которые связаны друг с другом (говоря научным языком — если, к примеру, проекция спина одной запутанной частицы отрицательна, то другой обязательно будет положительной). Как это выглядит на пальцах? Допустим, у нас есть две коробки, в которых лежит по бумажке. Мы разносим коробки на любое расстояние, открываем одну из них и видим, что бумажка в ней в горизонтальную полоску. Это автоматически означает, что другая бумажка будет в вертикальную полоску. Но вот проблема в том, что как только мы узнали состояние одной бумажки (или частицы), квантовая система рушится — неопределенность исчезает, кубиты превращаются в обычный биты.

Поэтому вычисления на квантовых компьютерах по сути одноразовы: мы создаем систему, которая состоит из запутанных частиц (где находятся их вторые «половинки» мы знаем). Мы проводим вычисления, и после этого «открываем коробку с бумажкой» — узнаем состояние запутанных частиц, а значит и состояние частиц в квантовом компьютере, а значит и результат вычислений. Так что для новых вычислений нужно снова создавать кубиты — просто «закрыть коробку с бумажкой» не получится — мы ведь уже знаем, что нарисовано на бумажке.

Возникает вопрос — раз квантовый компьютер может моментально подбирать любые пароли — как защитить информацию? Неужели с приходом таких устройств исчезнет конфиденциальность? Конечно же нет. На помощь приходит так называемое квантовое шифрование: оно основано на том, что при попытке «прочесть» квантовое состояние оно разрушается, что делает любой взлом невозможным.

Домашний квантовый компьютер

Ну и последний вопрос — раз квантовые компьютеры такие классные, мощные и не взламываемые — почему мы ими не пользуемся? Проблема банальна — невозможность реализовать квантовую систему в обычных домашних условиях. Для того, чтобы кубит мог существовать в состоянии суперпозиции бесконечно долго, нужны крайне специфические условия: это полный вакуум (отсутствие других частиц), температура, максимально близкая к нулю по Кельвину (для сверхпроводимости), и полное отсутствие электромагнитного излучения (для отсутствия влияния на квантовую систему). Согласитесь, создать такие условия дома мягко говоря трудновато, а ведь малейшее отклонение приведет к тому, что состояние суперпозиции исчезнет, и результаты вычислений будут неверными. Вторая проблема — это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом — при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. В итоге самый максимум на данный день — это квантовые компьютеры с парой десятков кубитов.

Однако, есть квантовые компьютеры от D-Wave, которые имеют 1000 кубитов, но, вообще говоря, настоящими квантовыми компьютерами они не являются, ибо не используют принципы квантовой запутанности, поэтому они не могут работать по классическим квантовым алгоритмам:

Но все же такие устройства оказываются ощутимо (в тысячи раз) мощнее обычных ПК, что можно считать прорывом. Однако заменят пользовательские устройства они ох как не скоро — для начала нам нужно или научиться создавать условия для работы таких устройств дома, или же наоборот, «заставить» работать такие устройства в привычных нам условиях. Шаги во втором направлении уже были сделаны — в 2013 году был создан первый двухкубитный квантовый компьютер на алмазе с примесями, работающий при комнатной температуре. Однако увы — это всего лишь опытный образец, да и 2 кубита — маловато для вычислений. Так что ждать квантовых ПК еще очень и очень долго.

Источник: iguides.ru

internetua.com

Что такое квантовые компьютеры и квантовое программирование

03.01.2018 /

oberset

Квантовые компьютеры постепенно начинают работать на благо человечества, они находят свое применение в таких отраслях, как медицина, энергетика и математика. В ближайшее десятилетие их интеграция в нашу жизнь станет глубже. Это ведет к одной большой проблеме: мало кто знает, как работать с квантовым компьютером, не говоря уже о том, как его запрограммировать.

Что такое квантовое программирование?

Квантовое программирование представляет собой набор языков программирования, которые выражают квантовые алгоритмы с использованием высокоуровневых конструкций. Обычный компьютер основан на бите – двоичной переменной, которая имеет только два возможных значения (0 или 1, истина или ложь). Квантовый компьютер основан на кубите. Кубит подразумевает, что между 0 и 1 существует множество других переменных, которые принято называть суперпозицией. Обычные компьютеры уступают квантовым в том, что они не способны обрабатывать настолько сложные алгоритмы. Есть мнение, что квантовое программирование – чрезвычайно сложный процесс, доступный лишь узкому кругу ученых. Это не совсем верно: поскольку IBM и Google уже построили рабочие квантовые вычислительные машины, настало время приступать к изучению квантового программирования уже сегодня.

Хорошо то, что для изучения квантового программирования наличие квантового компьютера совсем не обязательно. Простые программы можно легко смоделировать на обычном ПК. Пакет QISKit от IBM дает возможность всем заинтересованным разработчикам получить свой первый квантовый опыт. В него входят эмулятор для запуска программ на ПК и инструмент для доступа к 20-кубитному квантовому компьютеру, находящемуся в облаке IBM. Писать программы предстоит на языке Q# (произносится «кью шарп» по аналогии с C#).

Почему квантовое программирование пока не популярно?

Разумеется, реальный квантовый компьютер ведет себя не так, как эмулятор. И поскольку массовое производство квантовых компьютеров пока не планируется, программисты не спешат вкладывать время и силы в изучение нового языка. К тому же построение квантового алгоритма требует знаний квантовой физики. Иметь ученую степень в этой области необязательно, но нужны хотя бы базовые знания, которые сильно облегчат понимание работы и возможностей кубитов.

IBM и Google прекрасно осведомлены об этих проблемах. Квантовое программирование, как и любая передовая технология – это лишь ступень на пути к новой революции. Приближение к этой революции и непосредственное в ней участие и есть основные стимулы для привлечения новых специалистов. Даже если первые массовые квантовые компьютеры окажутся чуть быстрее обычных, у большинства компаний уже будет достаточно причин перейти на них. Однако если верить прогнозам, первый потребительский квантовый компьютер будет в разы мощнее современных вычислительных машин.

Приступить к изучению квантового программирования можно уже сегодня, для этого есть все возможности – среда разработки, доступ к облачному квантовому компьютеру и растущее сообщество энтузиастов, в которое входят как программисты-любители, так и серьезные ученые.

gdrw.ru