Технологические прорывы 2017 года. Когда появятся квантовые компьютеры. Квантовый компьютер когда появится
Технологические прорывы 2017 года. Когда появятся квантовые компьютеры | Futurist
Успехи Google и Intel в области создания квантовых компьютеров говорят о том, что они находятся в пределах нашей досягаемости и могут стать доступны широкой аудитории уже через пять лет.
Что такое квантовый компьютер?
В основе квантовых вычислений лежит квантовый бит, или кубит, основная единица информации, аналог 0 и 1 в транзисторах вашего компьютера. Кубиты имеют гораздо больше возможностей, чем классические биты, из-за двух уникальных свойств: они могут представлять одновременно и 1, и 0, могут влиять на другие кубиты через явление, известное как квантовая запутанность. Это позволяет квантовым компьютерам сократить путь к правильным ответам в определенных типах вычислений.
Квантовые компьютеры будут задействованы в факторизации больших чисел. С помощью них можно будет легко взломать многие современные методы шифрования и, возможно, создать по-настоящему невзламываемые. КК будут способны решать сложные задачи оптимизации и выполнения алгоритмов машинного обучения. Мы получим приложения с такими вычислительными и скоростными возможностями, которые еще никто не представлял на рынке компьютеров.
В чем прорыв?
Изготовление стабильных кубит – базовой единицы квантовых компьютеров, из-за которой он до сих пор не выпущен на рынок
Почему это важно?
Квантовые компьютеры могут работать экспоненциально быстрее программы искусственного интеллекта и решать задачи комплексного моделирования и планирования. Они могут даже создать невзламываемые системы шифрования.
Ключевые Игроки:
QuTech, Intel, Microsoft, Google, IBM.
Современные разработки
Одна из лабораторий в голландском научно-исследовательском институте QuTech отвечает за несколько самых передовых в мире квантовых компьютеров. По внешнему виду такие разработки очень похожи на испытание вентиляции или объектов кондиционирования. Эта лаборатория спрятана в специально отведенном для испытаний помещении, в Дельфтском технологическом университете. Вход сюда строго воспрещен. Повсюду стоит гул резонансных волн. Создается ощущение, будто шумит целый рой электрических кузнечиков. Помещение заставлено связками изолированных труб, кабелей, а аппаратное управление помещается в большом синем цилиндре, стоящем на трех-четырех опорах.
Внутри синего цилиндра расположены надувные холодильники – в них происходят процессы на уровне микрочастиц, где нанопроволока, полупроводники и сверхпроводники встречаются на отметке чуть выше абсолютного нуля. Именно здесь, в пределах законов физики, твердые материалы порождают так называемые квазичастицы, чье необычное поведение дает им возможность служить в качестве ключевых компонентов квантовых компьютеров.
Статья по теме
Прошли первые испытания квантовых компьютеровВ этой лаборатории, в частности, были достигнуты успехи, которые сделали окончание проекта над квантовым компьютером реальностью. По прогнозу ученых из MIT, через несколько лет квантовые компьютеры смогут переписать историю шифрования, материаловедения, фармацевтических исследований и искусственного интеллекта.
Нестабильные кубиты
Каждый год квантовый компьютер становится кандидатом на главный технологический прорыв, но каждый год мир приходит к одному и тому же выводу: еще не время. Действительно, в течение многих лет кубиты и квантовые компьютеры существовали, в основном, на бумаге, или в условиях непредсказуемых экспериментов, в ходе которых под сомнением оставалась даже их целесообразность. Однако канадская компания D-Wave Systems продает машины, которые называет «квантовыми компьютерами». В ней она задействует технологию квантовой нормализации. Этот подход, как заметили скептики, в лучшем случае, применим для очень ограниченного набора вычислений и не может предложить никаких преимуществ в скорости, по сравнению с классическими компьютерами.
Статья по теме
Технологические прорывы 2017 года. Самоуправляемые грузовикиВ этом году строится сразу несколько экспериментальных машин. Корпорации Google, IBM, Intel и Microsoft готовы поддерживать проекты для исследования и разработки технологий, необходимых, чтобы построить «реальный» рабочий квантовый компьютер. Гиганты заинтересованы прежде всего в разработке в области микроэлектроники, сложных схем и программного управления.
Проект в Дельфтском университете возглавляет Лео Кувенховен, профессор, нанятый корпорацией Microsoft. Его главная цель – преодолеть одно из самых давних препятствий на пути построения квантовых компьютеров. Сложность заключается в том, что кубиты крайне чувствительны к колебаниям электрического поля и, следовательно, дают высокую вероятность сбоя. Кубиты станут полезными для нового изобретения, если им удастся добиться сразу двух квантовых суперпозиций (т.е. находиться в двух физических состояниях одновременно) в условиях запутанности.
Температура в этом синем холодильнике опускается до отметки чуть выше абсолютного нуля, что делает возможными квантовые эксперименты глубоко внутри него.
Люди уже давно прикладывают большие усилия для создания квантовых компьютеров, возможности которых превысят потенциал самых современных ПК. Но теперь Кувенховен и его коллеги пытаются создать изначально защищенные кубиты – стабильные к внешнему воздействию, к примеру как узлы на веревке.
«Несмотря на эффект, деформирующий веревку, мы будем ее подтягивать, – говорит Кувенховен, – узлы кубит останутся неизменными, и вы не потеряете информацию».
Такая стабильность позволит исследователям расширить масштабы квантовых компьютеров, что существенно сократит вычислительные мощности, необходимые для исправления ошибок.
Работа Кувенховена основывается на управлении уникальными квазичастицами, которые до 2012 года даже не были обнаружены.
Прогнозы
Скоро мы будем знать больше о том, что могут квантовые компьютеры. Ранее исследователи построили полностью программируемый пятикубитовый квантовый компьютер и более хрупкие – 10-20-кубитовые тестовые версии. Глава рабочей группы квантовых вычислений компании Google, Хармут Невен заявил, что его команда преследует цель –через год построить 49-кубитовую систему.
Машина около 50 кубит выбрана в качестве цели не случайно – это барьер квантового превосходства, за которым уже неклассический суперкомпьютер будет способен обрабатывать данные экспоненциальных объемов. Это будет похоже на коммуникацию иного уровня, которая позволит такому компьютеру перейти в разряд квантовых. Именно рост памяти на компьютере является его пропускным билетом на пути к квантовому суперкомпьютеру. Другими словами, топы суперкомпьютерных систем смогут делать все то же самое, что пять 20-ти кубитовых квантовых компьютеров, но в пределах 50 кубит. Физически это кажется невозможным. Так и есть. Но не в условиях квантового скачка.
Статья по теме
Технологические прорывы 2017 года. Расплачивайтесь вашим лицомВсе академические и корпоративные исследователи квантовых компьютеров сошлись во мнении, что где-то между 30 и 100 кубитами квантовые компьютеры способны стабильно выполнять широкий спектр вычислений. Именно на этой ступени их развития они начинают приобретать высокую коммерческую ценность. Чтобы такие системы появились в продаже, потребуется от двух до пяти лет.
В итоге мы сможем ожидать систему в 100 тысяч кубит, которая позволит совершить прорыв в материаловедении, химии и фармацевтической отрасли, создать точную молекулярную модель в масштабе один к одному, которая ляжет в основу новых материалов и лекарств.
Статья по теме
Российские ученые создали основу квантовых суперкомпьютеровКроме этого расшифровка всех существующих кодов окажется не за горами и проблема не в том, что для защиты от этого будет использоваться квантовая криптография, а то, что сейчас закодированная информация передается с открытым ключем, но даже такая гибридная криптосистема ничего не может противопоставить квантовому дешифровщику, поэтому сейчас на серверах спецслужб и прочих заинтересованных лиц копятся гигабайты зашифрованной информации, ждущей создания квантового компьютера и тогда многие секреты уже не будут таковыми.
А что насчет системы в миллион кубит? Ее вычислительные возможности сейчас трудно даже представить. «Она будет. Через 10 лет», – дает свой прогноз Хармут Невен из Google.
Оригинал статьи
Понравилась статья?
Поделись с друзьями!
Поделиться 0 Поделиться 0 Твитнуть 0Подпишись на еженедельную рассылку
futurist.ru
И да и нет: ответ на главный вопрос о квантовом компьютере. Фото | Технологии
Этот вопрос оказался непростым. На научной части конференции физик из Гарварда и сооснователь Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин заявил, что группа ученых под его руководством создала и успешно проверила программируемый квантовый компьютер на базе 51 кубита, а вечером на публичном обсуждении представители науки, а также российского бизнеса и госчиновники продолжали говорить о квантовом компьютере в будущем времени. Дело в том, что ученые ведут эксперименты, повышая количество кубитов в установках, но в продаже доступен аппарат только от компании D-Wave, который большинство исследователей не считают настоящим квантовым компьютером.
Сотрудник лаборатории Google по квантовому искусственному интеллекту и профессор калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джон Мартинис дал очень хорошее объяснение: «Мы можем говорить о создании квантового компьютера, когда он станет полезным. А для этого ему надо обогнать традиционные вычислительные системы на полупроводниках… Нет гарантий, что мы это сделаем, но физика работает на нас».
Будет ли квантовый компьютер быстрее традиционных, чей круче — Google или научной группы Лукина, а также о других проблемах и достоинствах квантовых компьютеров мы расскажем после небольшого объяснения сути их устройств.
Квантовые технологии
Конференция в целом была посвящена квантовым технологиям. Сейчас под ними подразумеваются процессы, в которых контролируется состояние отдельных частиц, например, электронов или фотонов. Некоторые из них не связаны с квантовыми компьютерами, но уже применяются в коммерческой технике. Например, на рынке доступны телевизоры, выполненные на основе квантовых точек. В них для электронов созданы такие условия, что он излучает свет в узком световом диапазоне. Получаются дисплеи с очень точной цветопередачей.
Руслан Юнусов, генеральный директор Российского квантового центра, обобщил основные применения квантовых технологий тремя сферами: сенсоры, безопасная связь и квантовые вычисления.
Сенсоры — самая коммерциализованная сфера сейчас: уже доступны детекторы, способные обнаруживать отдельные молекулы. Их высокая чувствительность позволяет, например обнаружить следы взрывчатого вещества в багаже. Линии связи, защищенные квантовым шифрованием, нельзя незаметно прослушать. Пока в мире продаются единичные устройства для квантовой связи, но отметим, что часть защищенных таким образом линий созданы и работают в России. Наконец, третьим направлением являются квантовые вычисления. Пока они находятся на стадии исследований. Как было отмечено выше, продаются аппараты только одной фирмы, которые большинство ученых не считают полноценными квантовыми компьютерами. Зато их развитие может радикально изменить огромный рынок полупроводников.
Закон суров, но природа сильнее
Используемую нами информацию можно представить в двоичном виде, то есть зашифровать все числа, буквы, картинки и т.п. в виде 1 и 0. Это бит, логический элемент современного компьютера, и физически его реализуют с помощью полупроводниковых элементов — транзисторов. Они могут находиться в состоянии 1 или 0 (например, пропускает ток или не пропускает), и чем транзистор меньше, тем выше можно поднять его частоту и тем больше их можно объединить в чипе, что в итоге повысит производительность микросхемы.
Но современные транзисторы уже достигли характерного размера в 10 нанометров (одна стотысячная часть миллиметра), и в обозримом будущем полупроводники нельзя будет еще уменьшать, потому что их элементы будут состоять из одного атома. А атомы сжимать мы еще не научились.
Мартинис видит шанс квантовых компьютеров в том, что закон Мура (удвоение количества транзисторов в процессоре каждые два года) перестает выполняться и в ближайшие годы может перестать работать. Cооснователь Российского квантового центра (РКЦ) и генеральный директор Acronis Сергей Белоусов добавляет, что развитие классических компьютеров, даже в виде облачных вычислительных мощностей имеет ограничение: «Не удастся разогнать их выше определенного предела. Они ограничены по площади — когда-нибудь кончится место на Земле — и ограничены по энергии. При этом есть задачи, которые невозможно решить на обычных компьютерах ни за какое время».
Квантовый компьютер
Раз есть проблема, найдутся и те, кто заплатит за ее решение. Потенциально лучшей альтернативой классическим вычислительным системам станет квантовый компьютер. Его базовым логическим элементом является кубит, основная особенность которого — возможность одновременно находиться во всех возможных состояниях: одновременно и 1 и 0. Два кубита дадут уже четыре состояния: 00, 01, 10, 11. И так далее. И операции выполняются одновременно над всеми этими состояниями!
Это не фантастика, ловкий трюк позволяет применить квантовая физика, но ее эффекты заметны обычно на очень малых масштабах, поэтому физически кубиты создаются на базе ультрахолодных атомах, ионах и т.п. Даже если это относительно большие по размерам сверхпроводящие элементы, то речь идет об управлении отдельными электронами. Такие ювелирные операции можно проводить только с помощью точно дозированного излучения, а методы столь сложны и востребованны, что в 2012 году Серж Арош и Дэвид Вайнленд получили Нобелевскую премию за успехи в контроле над квантовым состоянием отдельных элементарных частиц.
Преодоление научных трудностей окупается открывающимися возможностями. С ростом количества кубитов, которые одновременно находятся в запутанном состоянии в квантовом компьютере, его производительность растет как 2N. Например, квантовый компьютер на 20 кубитах производит одновременно около миллиона операций. А анонсированный Михаилом Лукиным 51-кубитный квантовый компьютер — более 2 квадриллионов операций. Получается, что при должном количестве кубитов квантовые компьютеры могут решить за пару часов задачи, на которые обычным компьютерам не хватило бы всей жизни Вселенной. И размер кубитов и частота их работы будут уже не важны — они же одновременно будут выполнять множество вычислений.
Гонка без ориентиров
Какой научный коллектив ближе всего к финишу в соревновании по созданию квантового компьютера? Мартинис утверждает, что в первую очередь идет гонка с природой. Каждый раз при создании новой модели с большим числом кубитов приходится преодолевать проблемы, которые казались нерешаемыми.
Чем больше кубитов, тем сложнее удержать их в запутанном состоянии — это необходимо, чтобы получать выигрыш в производительности перед классическими вычислениями. При этом надо управлять как введением начальных данных (переводом кубитов в начальное положение), так и съемом информации с кубитов. Например, в системе, которые создает группа Мартиниса в Google, это делается с помощью микроволнового излучения. Для перевода системы в квантовое состояние квантовый процессор (quantum processor unit) охлаждается почти до абсолютного ноля — 0,015 градусов Кельвина ( — 273 по Цельсию). И все равно возникают ошибки в вычислениях, которые снижают производительность.
Есть ли предел количеству одновременно запутанных кубитов? Мартинис считает, что трудности по их наращиванию удастся преодолевать и дальше, а Лукин видит ограничения в районе нескольких сотен, в лучшем случае 1000 кубитов. Такие системы все равно будут обладать гигантской по нынешним меркам производительностью. Кроме того, их можно будет объединять между собой, квантовыми сетями в единую вычислительную систему, считает сооснователь Российского квантового центра.
Однако оба ученых согласны, что арифметический подсчет количества кубитов не дает однозначного вывода о производительности компьютера. Так у научных групп Мартиниса и Лукина кубиты реализованы на разной физической базе — сверхпроводящих элементах и холодных атомах. Определить их эффективность можно, только исследовав их на реальных задачах. И дело не только в возможных ошибках. Важно, какие алгоритмы могут быть реализованы на вычислительных системах. Условно говоря, если условный квантовый компьютер очень быстро делает операции сложения, но не умеет делить вообще — толку от его скорости нет.
Мартинис согласился составить условный список. Он считает, что до публикации данных по системе Михаила Лукина на первом месте в абстрактной гонке за право прослыть первыми создателями квантового компьютера впереди был Google (22-кубитовый квантовый компьютер, в течении года планируется запустить 49-кубитовый), затем идут исследователи IBM (17-кубитовый аппарат). Но теперь он с нетерпением ждет подробностей от «команды Миши».
Ценность квантового компьютера
Среднестатистический пользователь может удивиться, зачем нужен квантовый компьютер, если ему хватает и процессора, установленного в смартфоне. Однако, и 20 лет назад находились те, кому хватало вычислительной мощности чипа в настольном компьютере, однако развитие микроэлектроники позволило создать смартфоны, с которыми мы теперь не расстаемся.
«Квантовый процессорный модуль», как называет свою установку Мартинис, оценивается в $5000. Самая современная модель 2000Q вышеупомянутой D-Wave обходится клиентам в $15 млн. Это дает некоторые ориентиры потенциальной стоимости будущих квантовых компьютеров — тысячи долларов за ключевые компоненты и десятки миллионов — за готовое решение. Дорого? Однако исследователи считают, что квантовые компьютеры смогут решать задачи, недоступные суперкомпьютерам, построенным по классической схеме. А лучшая высокопроизводительная система 2016 года стоила $270 млн. Напрямую затраты на эти аппараты сравнить пока нельзя – мы же не знаем истинной производительности квантовых компьютеров, но цены не выглядят исключительными.
Самое очевидное применение квантового компьютера — применение для расчета свойств новых молекул и материалов. В частности группа Лукина применяет квантовый компьютер для расчета процессов термализации (охлаждения), при которых обнаруживаются неожиданно стабильные состояния вещества. Сейчас идет работа над тем, чтобы реализовать их и проверить расчеты — ведь их нелегко воспроизвести на обычных компьютерах. Группа Мартиниса на устройстве Google провела расчет колебаний в атомной решетке графена при сверхвысоких магнитных полях. Они хорошо совпали с экспериментальными.
Смысл таких расчетов в том, чтобы экономить на дорогостоящих натурных экспериментах и заранее просчитывать условия, при которых можно создать новое вещество. Новые материалы могут кардинально перевернуть привычные рынки. Например, создание сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, изменят энергетический рынок за счет изменения логистики передачи энергии. Новые вещества позволят создавать прочные сплавы, которые будут значительно легче существующих, некоторые — легче воды, а расчет сложных молекул позволит создать новые лекарства.
И Мартинис, и Лукин, давая комментарии независимо друг от друга, сошлись на том, что системы на базе 20 кубитов способны показать производительность на уровне существующих суперкомпьютеров, симулирование результатов 30-кубитовых систем — задача для лучших суперкомпьютеров мира, а 50-кубитовые системы, скорее всего, превзойдут их.
При этом Лукин отмечает, что поиск идеального кубита не закончен. А Мартинис не видит принципиальных ограничений на создание в будущем квантовых процессоров в смартфонах, хотя больше верит в предоставление мощностей квантовых компьютеров в качестве облачного сервиса. Таким образом, они могут заменить существующие полупроводниковые элементы.
Российский путь
За пределами вопросов стоимости и цене квантовых компьютеров — участие России в процессе. Заместитель председателя правления «Газпромбанка» Дмитрий Зауэрс отметил, что у России есть условия для того, чтобы выйти на передовую квантовых технологий. В качестве примера он привел создание квантовой линии для «Газпромбанка» Российским квантовым центром.
На научной части конференции ICQT Михаил Лукин объявил о создании компьютера с 51 кубитом, но пока статья находится на рецензировании, он не имеет права комментировать подробности. На вопрос о российском вкладе Сергей Белоусов отметил, что у Михаила Лукина российское гражданство (есть и американское. — Forbes), а в его команде работают российские физики. Что касается создания системы аналогичного уровня в России, то Белоусов настроен оптимистично: «Эксперименты Михаила столь элегантны, что ожидаю попытки их повторения другими командами исследователей после публикации подробностей, в том числе и в России»
На ICQT Сергей Горьков, глава ВЭБ, объявил о переговорах с РКЦ, университетом МИСИС и другими игроками рынка квантовых технологий о возможности создания объединения для совместного развития этого направления.
Вложения в рынок квантовых технологий на уровне государства — это международная практика. Европейский союз планирует вложить $1 млрд в развитие квантовых технологий. Один из авторов этой программы Томмазо Каларко на ICQT пояснил, что первоначально планируется создать системы на базе 10 и 20 кубитов, чтобы провести необходимые исследовательские работы. А затем вкладываться в более серьезные проекты.
На вопрос Forbes о возможных этических проблемах Мартинис отметил, что не видит глобальных проблем от внедрения квантовых компьютеров. Наоборот, создание новых химических веществ позволит решить существующие проблемы. Бедные страны, которые не могут позволить себе создание квантового компьютера, потенциально могут иметь доступ к его мощностям в качестве облачного сервиса и таким образом получить шанс на использование возможностей квантовых технологий. Что касается возможного военного применения квантовых компьютеров и соответственно закрытии информации по этой тематике, он пока видит сложную задачу в разработке эффективных алгоритмов, для решения которой ученым необходим диалог.
На потенциальную проблему указал Игорь Лотаков, управляющий партнер PwC в России. Квантовые компьютеры потенциально способны раскодировать всю информацию, зашифрованную на данный момент, поэтому он считает, что производителям стоит готовиться к этому заранее — уже сейчас подумать над решениями в области кибербезопасности и киберкоммуникации. По мнению Максима Еременко, старшего управляющего директора, начальника управления инструментов и моделей блока «Риски», ПАО «Сбербанк» возможностях и риски квантовых технологий должно оценивать государство и принимать решения, которые пойдут на пользу развитию отрасли.
На подходе
Создание квантовых компьютеров, которые смогут выполнять большинство или все операции современных вычислительных систем, — дело ближайшего будущего. Как говорит Лукин: «Мы уже входим в область, где квантовые компьютеры не могут быть симулированы обычными компьютерами». На вопрос о необходимых условиях для появления квантовых компьютерах Зауэрс ответил: «Люди», а Белоусов: «Деньги».
Но это не прямая заасфальтированная дорога, а сложный процесс перехода по горной тропе. Говорить о неизбежном приходе квантовых вычислений в нашу жизнь еще рано. Несмотря на оптимизм исследователей, возможно, природа подкинет еще сюрпризы и поставит непреодолимые преграды перед Мартинисом, Лукиным и их коллегами-учеными.
Зато при благоприятном исходе из исследовательского направления квантовые компьютеры превратятся в инструмент, которые изменит все области нашей жизни не меньше, чем обычные компьютеры за последние 60 лет. Мартинис наотрез отказывался дать прогноз, когда они могут стать рыночным товаром, но в статье для журнала Nature прогнозируется их коммерциализация в течении 5 лет.
www.forbes.ru
Технологические прорывы 2017 года. Когда появятся квантовые компьютеры | Futurist
Успехи Google и Intel в области создания квантовых компьютеров говорят о том, что они находятся в пределах нашей досягаемости и могут стать доступны широкой аудитории уже через пять лет.
Что такое квантовый компьютер?
В основе квантовых вычислений лежит квантовый бит, или кубит, основная единица информации, аналог 0 и 1 в транзисторах вашего компьютера. Кубиты имеют гораздо больше возможностей, чем классические биты, из-за двух уникальных свойств: они могут представлять одновременно и 1, и 0, могут влиять на другие кубиты через явление, известное как квантовая запутанность. Это позволяет квантовым компьютерам сократить путь к правильным ответам в определенных типах вычислений.
Квантовые компьютеры будут задействованы в факторизации больших чисел. С помощью них можно будет легко взломать многие современные методы шифрования и, возможно, создать по-настоящему невзламываемые. КК будут способны решать сложные задачи оптимизации и выполнения алгоритмов машинного обучения. Мы получим приложения с такими вычислительными и скоростными возможностями, которые еще никто не представлял на рынке компьютеров.
В чем прорыв?
Изготовление стабильных кубит – базовой единицы квантовых компьютеров, из-за которой он до сих пор не выпущен на рынок
Почему это важно?
Квантовые компьютеры могут работать экспоненциально быстрее программы искусственного интеллекта и решать задачи комплексного моделирования и планирования. Они могут даже создать невзламываемые системы шифрования.
Ключевые Игроки:
QuTech, Intel, Microsoft, Google, IBM.
Современные разработки
Одна из лабораторий в голландском научно-исследовательском институте QuTech отвечает за несколько самых передовых в мире квантовых компьютеров. По внешнему виду такие разработки очень похожи на испытание вентиляции или объектов кондиционирования. Эта лаборатория спрятана в специально отведенном для испытаний помещении, в Дельфтском технологическом университете. Вход сюда строго воспрещен. Повсюду стоит гул резонансных волн. Создается ощущение, будто шумит целый рой электрических кузнечиков. Помещение заставлено связками изолированных труб, кабелей, а аппаратное управление помещается в большом синем цилиндре, стоящем на трех-четырех опорах.
Внутри синего цилиндра расположены надувные холодильники – в них происходят процессы на уровне микрочастиц, где нанопроволока, полупроводники и сверхпроводники встречаются на отметке чуть выше абсолютного нуля. Именно здесь, в пределах законов физики, твердые материалы порождают так называемые квазичастицы, чье необычное поведение дает им возможность служить в качестве ключевых компонентов квантовых компьютеров.
Статья по теме
Прошли первые испытания квантовых компьютеровВ этой лаборатории, в частности, были достигнуты успехи, которые сделали окончание проекта над квантовым компьютером реальностью. По прогнозу ученых из MIT, через несколько лет квантовые компьютеры смогут переписать историю шифрования, материаловедения, фармацевтических исследований и искусственного интеллекта.
Нестабильные кубиты
Каждый год квантовый компьютер становится кандидатом на главный технологический прорыв, но каждый год мир приходит к одному и тому же выводу: еще не время. Действительно, в течение многих лет кубиты и квантовые компьютеры существовали, в основном, на бумаге, или в условиях непредсказуемых экспериментов, в ходе которых под сомнением оставалась даже их целесообразность. Однако канадская компания D-Wave Systems продает машины, которые называет «квантовыми компьютерами». В ней она задействует технологию квантовой нормализации. Этот подход, как заметили скептики, в лучшем случае, применим для очень ограниченного набора вычислений и не может предложить никаких преимуществ в скорости, по сравнению с классическими компьютерами.
Статья по теме
Технологические прорывы 2017 года. Самоуправляемые грузовикиВ этом году строится сразу несколько экспериментальных машин. Корпорации Google, IBM, Intel и Microsoft готовы поддерживать проекты для исследования и разработки технологий, необходимых, чтобы построить «реальный» рабочий квантовый компьютер. Гиганты заинтересованы прежде всего в разработке в области микроэлектроники, сложных схем и программного управления.
Проект в Дельфтском университете возглавляет Лео Кувенховен, профессор, нанятый корпорацией Microsoft. Его главная цель – преодолеть одно из самых давних препятствий на пути построения квантовых компьютеров. Сложность заключается в том, что кубиты крайне чувствительны к колебаниям электрического поля и, следовательно, дают высокую вероятность сбоя. Кубиты станут полезными для нового изобретения, если им удастся добиться сразу двух квантовых суперпозиций (т.е. находиться в двух физических состояниях одновременно) в условиях запутанности.
Температура в этом синем холодильнике опускается до отметки чуть выше абсолютного нуля, что делает возможными квантовые эксперименты глубоко внутри него.
Люди уже давно прикладывают большие усилия для создания квантовых компьютеров, возможности которых превысят потенциал самых современных ПК. Но теперь Кувенховен и его коллеги пытаются создать изначально защищенные кубиты – стабильные к внешнему воздействию, к примеру как узлы на веревке.
«Несмотря на эффект, деформирующий веревку, мы будем ее подтягивать, – говорит Кувенховен, – узлы кубит останутся неизменными, и вы не потеряете информацию».
Такая стабильность позволит исследователям расширить масштабы квантовых компьютеров, что существенно сократит вычислительные мощности, необходимые для исправления ошибок.
Работа Кувенховена основывается на управлении уникальными квазичастицами, которые до 2012 года даже не были обнаружены.
Прогнозы
Скоро мы будем знать больше о том, что могут квантовые компьютеры. Ранее исследователи построили полностью программируемый пятикубитовый квантовый компьютер и более хрупкие – 10-20-кубитовые тестовые версии. Глава рабочей группы квантовых вычислений компании Google, Хармут Невен заявил, что его команда преследует цель –через год построить 49-кубитовую систему.
Машина около 50 кубит выбрана в качестве цели не случайно – это барьер квантового превосходства, за которым уже неклассический суперкомпьютер будет способен обрабатывать данные экспоненциальных объемов. Это будет похоже на коммуникацию иного уровня, которая позволит такому компьютеру перейти в разряд квантовых. Именно рост памяти на компьютере является его пропускным билетом на пути к квантовому суперкомпьютеру. Другими словами, топы суперкомпьютерных систем смогут делать все то же самое, что пять 20-ти кубитовых квантовых компьютеров, но в пределах 50 кубит. Физически это кажется невозможным. Так и есть. Но не в условиях квантового скачка.
Статья по теме
Технологические прорывы 2017 года. Расплачивайтесь вашим лицомВсе академические и корпоративные исследователи квантовых компьютеров сошлись во мнении, что где-то между 30 и 100 кубитами квантовые компьютеры способны стабильно выполнять широкий спектр вычислений. Именно на этой ступени их развития они начинают приобретать высокую коммерческую ценность. Чтобы такие системы появились в продаже, потребуется от двух до пяти лет.
В итоге мы сможем ожидать систему в 100 тысяч кубит, которая позволит совершить прорыв в материаловедении, химии и фармацевтической отрасли, создать точную молекулярную модель в масштабе один к одному, которая ляжет в основу новых материалов и лекарств.
Статья по теме
Российские ученые создали основу квантовых суперкомпьютеровКроме этого расшифровка всех существующих кодов окажется не за горами и проблема не в том, что для защиты от этого будет использоваться квантовая криптография, а то, что сейчас закодированная информация передается с открытым ключем, но даже такая гибридная криптосистема ничего не может противопоставить квантовому дешифровщику, поэтому сейчас на серверах спецслужб и прочих заинтересованных лиц копятся гигабайты зашифрованной информации, ждущей создания квантового компьютера и тогда многие секреты уже не будут таковыми.
А что насчет системы в миллион кубит? Ее вычислительные возможности сейчас трудно даже представить. «Она будет. Через 10 лет», – дает свой прогноз Хармут Невен из Google.
Оригинал статьи
Понравилась статья?
Поделись с друзьями!
Поделиться 0 Поделиться 0 Твитнуть 0Подпишись на еженедельную рассылку
futurist.ru
Квантовые компьютеры
С появлением квантовых компьютеров мы получим приложения с огромными вычислительными и скоростными возможностями.
Успехи Google и Intel в области создания квантовых компьютеров говорят о том, что они находятся в пределах нашей досягаемости и могут стать доступны широкой аудитории уже через пять лет.
Что такое квантовый компьютер?
В основе квантовых вычислений лежит квантовый бит, или кубит, основная единица информации, аналог 0 и 1 в транзисторах вашего компьютера. Кубиты имеют гораздо больше возможностей, чем классические биты, из-за двух уникальных свойств: они могут представлять одновременно и 1, и 0, могут влиять на другие кубиты через явление, известное как квантовая запутанность. Это позволяет квантовым компьютерам сократить путь к правильным ответам в определенных типах вычислений.
Квантовые компьютеры будут задействованы в факторизации больших чисел. С помощью них можно будет легко взломать многие современные методы шифрования и, возможно, создать по-настоящему невзламываемые. КК будут способны решать сложные задачи оптимизации и выполнения алгоритмов машинного обучения. Мы получим приложения с такими вычислительными и скоростными возможностями, которые еще никто не представлял на рынке компьютеров.
В чем прорыв?
Изготовление стабильных кубит – базовой единицы квантовых компьютеров, из-за которой он до сих пор не выпущен на рынок
Почему это важно?
Квантовые компьютеры могут работать экспоненциально быстрее программы искусственного интеллекта и решать задачи комплексного моделирования и планирования. Они могут даже создать невзламываемые системы шифрования.
Современные разработки
Одна из лабораторий в голландском научно-исследовательском институте QuTech отвечает за несколько самых передовых в мире квантовых компьютеров. По внешнему виду такие разработки очень похожи на испытание вентиляции или объектов кондиционирования. Эта лаборатория спрятана в специально отведенном для испытаний помещении, в Дельфтском технологическом университете. Вход сюда строго воспрещен. Повсюду стоит гул резонансных волн. Создается ощущение, будто шумит целый рой электрических кузнечиков. Помещение заставлено связками изолированных труб, кабелей, а аппаратное управление помещается в большом синем цилиндре, стоящем на трех-четырех опорах.
Внутри синего цилиндра расположены надувные холодильники – в них происходят процессы на уровне микрочастиц, где нанопроволока, полупроводники и сверхпроводники встречаются на отметке чуть выше абсолютного нуля. Именно здесь, в пределах законов физики, твердые материалы порождают так называемые квазичастицы, чье необычное поведение дает им возможность служить в качестве ключевых компонентов квантовых компьютеров.
В этой лаборатории, в частности, были достигнуты успехи, которые сделали окончание проекта над квантовым компьютером реальностью. По прогнозу ученых из MIT, через несколько лет квантовые компьютеры смогут переписать историю шифрования, материаловедения, фармацевтических исследований и искусственного интеллекта.
Нестабильные кубиты
Каждый год квантовый компьютер становится кандидатом на главный технологический прорыв, но каждый год мир приходит к одному и тому же выводу: еще не время. Действительно, в течение многих лет кубиты и квантовые компьютеры существовали, в основном, на бумаге, или в условиях непредсказуемых экспериментов, в ходе которых под сомнением оставалась даже их целесообразность. Однако канадская компания D-Wave Systems продает машины, которые называет «квантовыми компьютерами». В ней она задействует технологию квантовой нормализации. Этот подход, как заметили скептики, в лучшем случае, применим для очень ограниченного набора вычислений и не может предложить никаких преимуществ в скорости, по сравнению с классическими компьютерами.
В этом году строится сразу несколько экспериментальных машин. Корпорации Google, IBM, Intel и Microsoft готовы поддерживать проекты для исследования и разработки технологий, необходимых, чтобы построить «реальный» рабочий квантовый компьютер. Гиганты заинтересованы прежде всего в разработке в области микроэлектроники, сложных схем и программного управления.
Проект в Дельфтском университете возглавляет Лео Кувенховен, профессор, нанятый корпорацией Microsoft. Его главная цель – преодолеть одно из самых давних препятствий на пути построения квантовых компьютеров. Сложность заключается в том, что кубиты крайне чувствительны к колебаниям электрического поля и, следовательно, дают высокую вероятность сбоя. Кубиты станут полезными для нового изобретения, если им удастся добиться сразу двух квантовых суперпозиций (т.е. находиться в двух физических состояниях одновременно) в условиях запутанности.
Температура в этом синем холодильнике опускается до отметки чуть выше абсолютного нуля, что делает возможными квантовые эксперименты глубоко внутри него.
Люди уже давно прикладывают большие усилия для создания квантовых компьютеров, возможности которых превысят потенциал самых современных ПК. Но теперь Кувенховен и его коллеги пытаются создать изначально защищенные кубиты – стабильные к внешнему воздействию, к примеру как узлы на веревке.
«Несмотря на эффект, деформирующий веревку, мы будем ее подтягивать, – говорит Кувенховен, – узлы кубит останутся неизменными, и вы не потеряете информацию».
Такая стабильность позволит исследователям расширить масштабы квантовых компьютеров, что существенно сократит вычислительные мощности, необходимые для исправления ошибок.
Работа Кувенховена основывается на управлении уникальными квазичастицами, которые до 2012 года даже не были обнаружены.
Прогнозы
Скоро мы будем знать больше о том, что могут квантовые компьютеры. Ранее исследователи построили полностью программируемый пятикубитовый квантовый компьютер и более хрупкие – 10-20-кубитовые тестовые версии. Глава рабочей группы квантовых вычислений компании Google, Хармут Невен заявил, что его команда преследует цель –через год построить 49-кубитовую систему.
Машина около 50 кубит выбрана в качестве цели не случайно – это барьер квантового превосходства, за которым уже неклассический суперкомпьютер будет способен обрабатывать данные экспоненциальных объемов. Это будет похоже на коммуникацию иного уровня, которая позволит такому компьютеру перейти в разряд квантовых. Именно рост памяти на компьютере является его пропускным билетом на пути к квантовому суперкомпьютеру. Другими словами, топы суперкомпьютерных систем смогут делать все то же самое, что пять 20-ти кубитовых квантовых компьютеров, но в пределах 50 кубит. Физически это кажется невозможным. Так и есть. Но не в условиях квантового скачка.
Все академические и корпоративные исследователи квантовых компьютеров сошлись во мнении, что где-то между 30 и 100 кубитами квантовые компьютеры способны стабильно выполнять широкий спектр вычислений. Именно на этой ступени их развития они начинают приобретать высокую коммерческую ценность. Чтобы такие системы появились в продаже, потребуется от двух до пяти лет.
В итоге мы сможем ожидать систему в 100 тысяч кубит, которая позволит совершить прорыв в материаловедении, химии и фармацевтической отрасли, создать точную молекулярную модель в масштабе один к одному, которая ляжет в основу новых материалов и лекарств.
Кроме этого расшифровка всех существующих кодов окажется не за горами и проблема не в том, что для защиты от этого будет использоваться квантовая криптография, а то, что сейчас закодированная информация передается с открытым ключем, но даже такая гибридная криптосистема ничего не может противопоставить квантовому дешифровщику, поэтому сейчас на серверах спецслужб и прочих заинтересованных лиц копятся гигабайты зашифрованной информации, ждущей создания квантового компьютера и тогда многие секреты уже не будут таковыми.
А что насчет системы в миллион кубит? Ее вычислительные возможности сейчас трудно даже представить. «Она будет. Через 10 лет», – дает свой прогноз Хармут Невен из Google. опубликовано econet.ru
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet
econet.ru
Зачем мы делаем квантовый компьютер? Потому что классический себя исчерпал!
Человечество приближается к очередному технологическому рубежу, который изменит мир столь же кардинально, как приручение огня, изобретение колеса или открытие электричества. Последний раз подобный рубикон был пройден на глазах нашего поколения и был связан с появлением компьютеров. Сейчас, как утверждают ученые, мы находимся на расстоянии нескольких лет от очередной революции - появления квантового компьютера. И это не просто красивые слова: Евросоюз объявил о том, что инвестирует в программу "Квантовый флагман" 1 миллиард евро. Для сравнения это четвертая часть стоимости Большого адронного коллайдера - крупнейшей научной установки, которая когда-либо создавалась в истории цивилизации.
От того войдет ли Россия в число стран-победительниц квантовой гонки или проморгает очередной технологический скачок, во многом зависит наше место в новом мире. Оказаться на обочине было бы особенно обидно, потому что грубо говоря, две трети ведущих профессоров квантовой физики в мире имеют русские фамилии, хотя зачастую и работают в разных университетах планеты. Чтобы использовать этот наш потенциал, Российский квантовый центр собрал лучшие умы на конференции в Лондоне.
О том, зачем нужны народу квантовые технологии я поговорил с генеральным директором Российского квантового центра, кандидатом физико-математических наук Русланом Юнусовым.
- Руслан, для начала ответьте на наивный вопрос: а зачем вообще нужны квантовые компьютеры? Чем вас нынешние не устраивают? Ведь согласно закону Мура и так каждые два года мощности электронных устройств удваиваются, так почему бы новые задачи не решить, наращивая вычислительные способности классических ЭВМ?
- В самом начале закон Мура формулировался по другому: количество транзисторов удваивается каждые 1,5 года. Но сейчас прогресс замедляется и удвоение происходит уже каждые 2 года. А теперь давайте посмотрим на другие параметры, например, на тактовую частоту, которая определяет скорость работы компьютера. Здесь мы достигли потолка уже 10 лет назад. Если вспомнить, 30 лет назад у хороших устройств частота была 1 мегаГерц, спустя 20 лет мы достигли показателя 1 гигаГерц, то есть процессор стал работать быстрее в 1000 раз. А потом достигли 3 гигаГерц и наступила стагнация. Потому что мы добрались до физических пределов. Даже чисто теоретически тактовую частоту мы не можем увеличить выше 10 гигаГерц. Вот вам пример, когда технология упирается в какие-то физические пределы. Если посмотреть дальше, то буквально лет через пять мы упремся в другой барьер. Вы говорили, что согласно новой редакции закона Мура количество транзисторов в микросхемах должно удваиваться. И скоро мы подойдем к тому, что отдельный транзистор должен состоять из атомов. А это уже невозможно.
- Что же делать?
- Одно из решений это как раз квантовые компьютеры. Они позволят быстро решать некоторые задачи, которые вообще недоступны классическому компьютеру. Самое простое применение это взламывать коды, расшифровывать секретные сообщения. То, на что классическому компьютеру понадобится миллиарды лет, квантовый компьютер мощностью в 1000 кубит (кубит это элемент информации в квантовом компьютере, как бит в классической ЭВМ - авт.) сделает за минуты. Другое применение квантового компьютера это поиск данных в больших базах. Сейчас огромное количества данных просто сохраняются без обработки, в надежде, что когда-нибудь появятся большие вычислительные мощности, которые смогут эти данные проанализировать. Вот квантовые компьютеры смогут это сделать.
- Каковы шансы, что первый квантовый компьютер будет российским?
- Минимальны, потому что квантовый компьютер не появится за 1 день. Это же последовательность шагов: сначала надо сделать один кубит, потом 2, 10, 30... Уже при 300 кубитах можно решать круг задач, которые не под силу суперкомпьютерам. Сейчас мы ждем, что в ближайшие 3 года появятся универсальные компьютеры с 50 кубитами. Скорее всего, это произойдет в США или в Европе при участии американских компаний. Для сравнения в России запущен проект по созданию компьютера с 2 кубитами. То есть мы отстаем от ведущих игроков, но все-таки входим в круг стран, которые развивают эти технологии. Пока у нас уровень инвестиций несоизмерим. Одна только компания Google вкладывает в квантовые разработки 100 миллионов долларов, а у нас консорциум, который занимается двумя кубитами в сумме имеет гораздо меньше. Но тут как в марафоне: важно не только победить, но просто добежать. Потому что если ты финишировал хотя бы во второй волне, то получишь долю рынка. Сегодня адекватная задача для России – быть в группе лидеров.
- Можете оценить размер рынка? Насколько велик джек-пот, за который борются участники квантовой гонки?
- Называть цифры совершенно неблагодарное дело, но мы как-то оценивали, что рынок полупроводников и лазеров это порядка 3 триллионов долларов в год. Есть ожидания, что новый рынок будет не меньше. Когда квантовые технологии действительно войдут в каждый дом рынок будет совершенно гигантский.
- А что они могут принести в каждый дом? Какой прок обычному человеку от того, что квантовый компьютер решает мудреные научные задачки?
- Например, обычному человеку понравятся банковские карты, с которых невозможно украсть деньги. Эту абсолютную защиту дает квантовая криптография. Кстати такие защищенные коммуникации уже сейчас можно купить на Западе, а мы планируем иметь эти устройства к концу года. Квантовые компьютеры и квантовые симуляторы могут позволить найти материалы с новыми свойствами. Сегодня автомобиль весит 2 тонны, а будет весить... 20 килограмм. Его можно будет поднять рукой и поставить куда-нибудь на полку. С точки зрения физики никаких запретов здесь нет, но обычные компьютерные технологии не позволяют нам находить такие решения. А квантовый компьютер способен смоделировать материал с такими свойствами. Или сверхпроводимость при комнатной температуре. Над этой проблемой уже много десятков лет бьются, а решить не могут. А это вообще полностью перевернет нашу жизнь: мы забудем, что такое потери электроэнергии. Мы сможем создавать мощные магнитные поля, которые будут удерживать на весу «летающие» автомобили и поезда на магнитной подушке. Они будут перемещаться со скоростью самолета и стоить очень дешево.
- Вы говорите о сотрудничестве с западными партнерами. А что мы можем им предложить? Денег у нас не много. Есть сильные ученые, но многие из них сегодня работают в западных университетах...
- У нас, как ни странно, достаточно много ученых, которые успешно себя реализовали на Западе, но вернулись и запустили лаборатории в России. Такие проекты для нас поддерживать очень полезно. Тем самым создаются школы с мировым опытом внутри нашей страны.
www.crimea.kp.ru
Есть ли польза от квантовых компьютеров обычным людям? - Блоги
Чем квантовые компьютеры лучше обычных, для чего они нужны, когда появятся у нас дома? И вообще существуют ли они?
Идею квантовых вычислений предложил американский физик Ричард Фейнман в 1981 году. Он заявил, что обычные компьютеры могут смоделировать любые физические процессы, кроме наиболее сложных — квантовых, а для решения последней задачи необходимы квантовые компьютеры. Спустя три десятилетия идеи Фейнмана начали воплощаться в реальность.
Задачи, которые учёные считают квантовыми, довольно часто встречаются в повседневной жизни. К примеру, когда вы собираетесь в путешествие и пытаетесь понять, как уложить в чемодан покупки на выделенную сумму и при этом не выйти за лимит по весу, вы можете даже не понимать, что на решение этой задачи с математической точки зрения вам не хватит всей жизни. Подобных задач очень много и они разнообразны: выбор оптимального капиталовложения, схема расположения товаров на складе и так далее.
Из физики элементарных частиц известно, что квантовый объект может одновременно находиться в нескольких местах. Именно на этом основана высочайшая скорость вычислений: каждый такой объект может выполнять не одну задачу, а миллиарды. Обычные компьютеры при вычислениях последовательно оперируют всего двумя состояниями — нулём и единицей. Квантовый бит (кубит) может поворачиваться в любых направлениях в зависимости от того, какая доля нуля и единицы есть его состоянии. Самый продвинутый квантовый компьютер содержит из девять кубитов (на фото ниже).
Кубит может одновременно существовать в нескольких состояниях, поэтому квантовый компьютер очень быстро справляется с задачами, которые требуют перебора огромного множества вариантов. К примеру, на взлом PIN-кода к банковской карте у обычного компьютера уйдёт 10 миллиардов лет, а квантовый компьютер справится с этим примерно за три года. Дело в том, что PIN хоть и содержит всего 4 цифры, очень сложно подобрать методом обычного брутфорса — банк заблокирует карту после нескольких неудачных попыток ввода. К каждой карте помимо PIN привязано большое число, которое делится на PIN без остатка. Если злоумышленник узнает это число и захочет вычислить PIN с помощью компьютера, у него уйдёт на это невообразимо много времени.
Прототипы квантовых компьютеров есть у IBM и Google, а в ноябре 2016 года компания Microsoft создала целое подразделение, которое будет заниматься созданием таких устройств. Первые квантовые компьютеры, предназначенные для решения повседневных задач, появятся примерно через десять лет. Каждый компьютер занимает целую комнату, охлаждающуюся до температуры, близкой к абсолютному нулю — минус 273,15 градуса по Цельсию.
Очевидно, что в домашних условиях такие машины не смогут работать. Тем не менее, мы всё равно сможем «пожинать плоды» их деятельности. Уже сейчас пред человечеством стоит множество задач, которые с лёгкостью решали бы такие компьютеры. С появлением квантовым вычислений обычные компьютеры никуда не исчезнут, поскольку они предназначены совершенно для других, уже привычных нам нужд. Однако квантовые компьютеры произведут настоящую революцию: они сделают возможным появление полноценных систем искусственного интеллекта, мощнейших нейронных сетей, по-настоящему умных виртуальных помощников, разговаривающих на любых языках, и надёжных самоуправляемых автомобилей. Они облегчат нашу жизнь абсолютно во всех сферах: в промышленности, медицине, социальных отношениях и так далее.
www.playground.ru
4 главных вопроса о квантовых компьютерах | Futurist
Новые задачи требуют все более сложных вычислений, в то время как многие вычислительные алгоритмы несовершенны. Например, при подготовке алгоритмов искусственного интеллекта, большая часть информации теряется из-за вычислительных ограничений, что делает их менее эффективными. Квантовые компьютеры позволят нам справиться со сложными задачами. Существуют ли квантовые компьютеры, как они работают и какие проблемы с ними возникают – в материале "Футуриста"
Что такое квантовый компьютер и зачем он нужен?
Квантовый компьютер –это вычислительное устройство, которое для передачи и обработки данных использует явления квантовой физики, а не классические алгоритмы. Обычные компьютеры работают по принципу вычислительных машин Тьюринга – с битами, которые находятся в одном из двух состояний: 0 или 1. У квантовых компьютеров таких ограничений нет: информация в них зашифрована в квантовых битах (кубитах), которые способны находиться в суперпозиции — быть одновременно и 0 и 1. Представьте себе сферу, которая состоит из бесчисленного множества точек. Ее северный и южный полюса — это "0" и "1", а все остальные точки – это промежуточные значения. Вся сфера целиком и будет суперпозицией. У кубита в принципе не может быть определенного значения – оно появляется в момент измерения.
Сфера Блоха. Состояние кубита — вектор из центра сферы, конец которого лежит на ее поверхности. Пробегая все возможные состояния, конец этого вектора дает множество значений, которые может принимать отдельный кубит. При измерении кубита мы получим либо "1", либо "0" - проекцию состояния кубита на вертикальную ось. Результаты выпадают с определенной долей вероятности: например, 20% – "1", 80% – "0" или наоборот, в зависимости от того, выше или ниже экватора сферы лежал вектор состояния кубита.
Это свойство кубитов отчасти иллюстрирует знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера. Распад атома запускает механизм, который убивает кота, заключенного в ящик. Но из-за того, что за час атом может как распасться, так и не распасться с вероятностью 50%, мы не знаем, жив кот или мертв. Мы узнаем это, только когда мы откроем ящик. Как писал ученый, эта система "смешивает в себе или размазывает живого и мертвого кота в равных долях" – чего в обычном понимании произойти не может. Но квантовая физика позволяет это сделать.
В квантовом регистре каждое возможное значение находится в суперпозиции, тогда как классический регистр может иметь только одно значение в данный конкретный момент времени (из 2 возможных). Система из 51 кубита имеет диапазон возможных значений 251. Это значительно отличается от классического регистра, где диапазон возможных значений 102 (2*51) соответственно.
Благодаря огромному количеству возможных состояний кубита, квантовый компьютер может выполнять несколько вычислений одновременно, в то время как машина Тьюринга – только одно. Допустим, вам нужно провести операцию над каждым из 4 возможных чисел в регистре из 2 битов на обычном компьютере. Вам придется перебирать каждое значение — то есть, вам понадобится 4 шага. В квантовом компьютере с регистром из 2 кубитов задача будет решена за один шаг, ведь действие производится сразу над всеми числами регистра.
Носителями информации выступают элементарные частицы: атомы, ионы, фотоны или электроны, имеющие два квантовых состояния. Проблема в том, что в квантовой физике "измерение" означает "изменение", необратимое и непредсказуемое. К счастью, квантовая механика знает способы обойти эти измерения и передать состояние кубита сразу, без потерь.
Квантовые системы нужны для работы с большими данными, так как эти задачи требуют перебора огромного количества вариантов. Также квантовые компьютеры помогают воссоздать динамику сложных систем и тем самым упростить расчеты свойств отдельных молекул, секвенирование ДНК, а также поиск новых лекарств и материалов. Например, чтобы рассчитать динамику молекулы метана (Ch5), необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Ни один компьютер пока не может справиться с этой задачей.
Какова природа вычислений?
Квантовое вычисления использует особый физический ресурс: квантовую запутанность. Это позволяет в некоторых операциях достичь поразительного выигрыша во времени. Две частицы, электрон или фотон, которые одновременно испускает один и тот же источник, находятся в так называемом запутанном (или сцепленном) состоянии. Они несут одновременно правую и левую поляризации, но в момент измерения они принимают определенную поляризацию – причем всегда будут противоположны друг другу. То есть, если мы смотрим на один фотон, и он принимает левую поляризацию, то у другого фотона будет правая поляризация – и наоборот. Предсказать, какую поляризацию примет та или иная частица, невозможно.
Альберт Эйнштейн считал квантовую запутанность нелепой выдумкой и называл ее «жутким действием на расстоянии». Он предложил разнести эти частицы на большое расстояние. Если мы наблюдаем за одним из фотонов, то второй фотон должен получить информацию о факте измерения, чтобы сменить свою поляризацию. В теории относительности это происходит не сразу, а по прошествии некоторого времени, иначе нарушится главное правило — скорость передачи информации превысит скорость света. Но в квантовой механике второй фотон должен получить информацию моментально — иначе в какой-то момент поляризация частиц будет одинакова. Это противоречие назвали парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс). Физики долго спорили, как его разрешить. В итоге решили, что смена поляризации — это случайный процесс, и никакой передачи информации не происходит, поэтому принципы относительности формально не нарушаются.
В 1993 году в IBM Research был проведен эксперимент, известный как квантовая телепортация. Ученые из IBM показали, что квантовая запутанность не только является реальным явлением, но и может быть превращена во что-то гораздо более полезное, чем кто-либо осмеливался предположить. Для передачи информации приходится измерять состояние частиц — но по законам квантовой физики измерение разрушает это состояние, и его невозможно восстановить. Телепортация использует явление квантовой запутанности и дает возможность перенести некое состояние, обладая минимальной информацией о нем — не «заглядывая» в него и тем самым не нарушая его.
Допустим, нам нужно передать состояние фотона А получателю — то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении другая частица в том же самом состоянии. Как это сделать? В самом общем виде, мы просто располагаем две запутанные частицы В и С у отправителя и получателя соответственно. Частица В будет как бы сканировать и запечатлевать состояние частицы А, а частица С будет приобретать ровно противоположное состояние.
Подробнее — в видео от Minute Physics.
Представьте, что вам нужно передать состояние "живой-мертвый" кота Шредингера мухе, которая находится на Луне. Мы помним, что кот в ящике находится в суперпозиции "живой-мертвый"1. Для передачи нам понадобится две мухи: одна будет находиться на Луне и принимать состояние кота, а вторая — передавать. Одна из мух живая, другая мертвая — но мы не знаем, какая именно. Они тоже находятся в суперпозиции: живая муха на Земле и мертвая муха на Луне — и наоборот. Муху-передатчик мы кладем в ящик с котом, чтобы связать их в единую систему.
Если мы просто откроем ящик, то суперпозиция разрушится: кот и одна из мух (неизвестно, какая именно) будут мертвыми, а другая муха останется в живых — и наоборот. Телепортации не произойдет. Поэтому нам нужен способ заглянуть в ящик косвенно, чтобы суперпозиция разрушилась лишь частично, приведя нас к одному из четырех возможных состояний. Мы будем задавать косвенные вопросы о состоянии животных в ящике: 1) они оба в одинаковом состоянии? 2) только один из них мертв? 3) как минимум, один из них мертв? 4) умер только кот? Поодиночке эти вопросы ничего не стоят. Вместе они дадут нам целый комплекс возможных вариантов: Жж, Мм, Мж, Жм (кот - прописные, муха - строчные буквы)2.
Вспоминаем о мухе, которая находится на Луне. Ее состояние будет ровно противоположным состоянию мухи, которая на Земле. Таким образом, у нас образовалась система из трех элементов3. Если мы проведем алгебраические преобразования этой системы4, мы обнаружим, что лунная муха будет также находиться в суперпозиции своих возможных состояний, которые будут очень похожи на состояния кота. Однако для полноценного завершения телепортации лунной мухе необходимо получить некоторые данные о состоянии кота и земной мухи. Эти данные — ответ на один из косвенных вопросов, который помогает лунной мухе провести необходимые преобразования5. Этот ответ отправляется по классическому каналу связи, который используется параллельно с квантовым. В результате телепортации первоначальное состояние кота и земной мухи разрушится — невозможно создать точную копию квантового состояния, не разрушив оригинал. Но зато муха на Луне получила исходное состояние кота. А вам остается лишь заменить мух и кота на фотоны, атомы, электроны или ионы.
Существуют ли квантовые компьютеры?
Да. D-Wave, которая использует урезанную форму квантовых вычислений (квантовая нормализация или отжиг), продает коммерческую версию своей машины. Известны мелкие квантовые компьютеры Google и IBM, причем IBM позволяет людям получать доступ к своему компьютеру через облако (проект Quantum Experience для компьютера с пятью кубитами). Также сейчас ведется работа над первым коммерческим сервисом квантовых облачных вычислений — IBM Q. Для него разработали 17-кубитное устройство с низким уровнем ошибок. Позднее работу сервиса будет обеспечивать универсальный квантовый компьютер с примерно 50 кубитами.
В июле 2017 года российско-американская группа физиков под руководством Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра и профессора Гарвардского университета, объявила о создании программируемого 51-кубитного квантового компьютера. На сегодня это самая сложная подобная система из существующих.
Постепенно появляются квантовые нейросети. А физики из Российского квантового центра впервые запустили квантовый блокчейн — инструмент для создания распределенной базы данных, в которой практически невозможно подделать записи.
Однако пока квантовые компьютеры находятся лишь на первых стадиях своего развития. Пятикубитные системы может моделировать и обычный настольный компьютер. Кроме того, для надежной работы квантового компьютера требуется очень низкий уровень ошибок. Эти ошибки возникают из-за декогеренции (распада суперпозиции), или из-за взаимодействия кубитов друг с другом. Из-за этого наращивать число кубитов очень сложно. Лишь недавно ученые научились обнаруживать такие ошибки автоматически: в 2015 году IBM разработала четырехкубитный квантовый чип специально для этой задачи.
Опасны ли они?
Криптологи используют ограничения нашей нынешней технологии, чтобы обеспечить безопасность нашей информации и транзакций. Появление квантовых алгоритмов вычислений может сделать наши нынешние стандарты шифрования неэффективными.
Однако эта проблема выглядит надуманной. Квантовая криптография существует еще с начала 90-х. Агентство национальной безопасности Соединенных Штатов начала переходить на квантово-безопасную криптографию. Существует также ряд частных компаний, которые внедряют квантовые системы безопасности. ID Quantique разрабатывает такие системы с 2007 года. В этом году она планирует установить более 200 систем в 15 различных организациях.
1 Исходное состояние кота: (А|Ж>+B|М>)
2 Алгебраически это будет выглядеть так:
Жм = НЕТ (кот умер не один) - ДА (они оба в одинаковом состоянии) = (Жж + Мм+ Жм) - (Жж + Мм)
Жж = ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (мертв только один) - ДА (как минимум, один из них мертв) = (Жж + Мм) + (Жм+Мж) - (Мм+ Жм+ Мж)
Мж = ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (только один из них мертв) - НЕТ (кот умер не один) = (Жж+ Мм) + (Жм + Мж) - (Жж + Мм+ Жм)
Мм = ДА (как минимум, один из них мертв) - ДА (только один из них мертв) = (Мм+ Жм+ Мж) - (Жм + Мж)
3 Общее состояние системы из трех элементов:
(А|Ж> + B|М>) * (|м>|ж> + |ж>|м>).
Первая скобка — это все возможные состояния кота, вторая — все возможные состояния мух. Если раскрыть скобки, получится следующее выражение::
А|Ж>|ж>|м> + А|Ж>|м>|ж> + B|М>|ж>|м> + B|М>|м>|ж>
Как мы видим, вся система теперь связана. Переведем ее в косвенные вопросы:
A(ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (мертв только один) - ДА (как минимум, один из них мертв)) * |м>
+ A(НЕТ (кот умер не один) - ДА (они оба в одинаковом состоянии)) * |ж>
+ B(ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (только один из них мертв) - НЕТ (кот умер не один) * |м>
+ B(ДА (как минимум, один из них мертв) - ДА (только один из них мертв)) * |ж>
4 Ужасно, правда? Но если мы перегруппируем это выражение алгебраически, мы обнаружим, что муха на Луне в итоге стала находиться в суперпозиции возможных состояний кота Шредингера:
ДА (как минимум, один из них мертв) * (B|ж> - A|м>)
+ ДА (только один из них мертв) * (-B|ж> + (A+B)|м>)
+ ДА (они оба в одинаковом состоянии) * (- A|ж> + (A+B)|м>)
+ НЕТ (кот умер не один) (A|ж>-B|м>)
5 Допустим, мы узнаем: НЕТ(кот умер не один). Из всех возможных вариантов состояния лунная муха выберет следующее:
НЕТ (кот умер не один) (A|ж> - B|м>)
Это почти соответствует исходному состоянию кота (А|Ж>+B|М>). Разница в знаке — но его может заменить на противоположный тот, кто находится на Луне вместе с мухой. Мы просто отправляем ему письмо "Поменяй минус на плюс!" по классическому каналу связи.
Понравилась статья?
Поделись с друзьями!
Поделиться 0 Поделиться 0 Твитнуть 0Подпишись на еженедельную рассылку
futurist.ru
