22 самых интересных факта о квантовых компьютерах | Издание 2021 г.

Квантовые компьютеры не должны проверять вашу электронную почту, статус обновлений или выполнять обычные программные / аппаратные задачи. Вместо этого они основаны на чем-то более сложном - квантовой механике.

Квантовый компьютер имеет дело с частицами, которые намного меньше размера атомов. В таких меньших масштабах правила физики не имеют никакого смысла. Здесь начинают происходить захватывающие вещи. Частицы могут двигаться вперед и назад или даже существовать одновременно. Эти типы компьютеров могут увеличить вычислительную мощность по сравнению с тем, что достижимо на обычных компьютерах сегодня.

Давайте подробнее остановимся на том, что мы знаем о квантовых вычислениях в настоящее время. Мы собрали некоторые интересные факты о квантовых компьютерах, которые не оставят вас равнодушными.

1. Схема хранения информации

Компьютеры, которые мы используем сегодня, хранят данные в двоичном формате - последовательности нулей и 1 ′. Каждый компонент памяти называется битом, и им можно управлять с помощью шагов логической логики.

С другой стороны, квантовый компьютер будет хранить данные как «0», «1» или как квантовую суперпозицию двух состояний. Такой квантовый бит (также известный как кубиты) имеет гораздо большую гибкость по сравнению с двоичной системой.

Кубиты могут быть реализованы с помощью частиц с двумя состояниями спина - «вверх» и «вниз». Такая система может быть отображена на эффективную систему спина 1/2.

2. Пылающая скорость

Поскольку данные в квантовых компьютерах могут существовать не только в состояниях нулей и единиц, они могут выполнять вычисления параллельно. Давайте рассмотрим простой пример. если кубит находится в суперпозиции состояния 0 и состояния 1, и он выполнил вычисление с другим кубитом в аналогичной суперпозиции, он оставит четыре результата - 0/1, 0/0, 1/0 и 1/1.

Квантовый компьютер покажет вышеуказанный результат, когда он находится в состоянии декогеренции, которое длится (пока он находится в суперпозиции состояний), пока он не схлопнется до одного состояния. Возможность выполнять несколько задач одновременно называется квантовым параллелизмом.

3. Новый взгляд на безопасность

Скорость квантовых компьютеров также вызывает серьезную озабоченность в области шифрования и криптографии. Системы финансовой безопасности современного мира основаны на факторинге больших чисел (алгоритмы RSA или DSA), которые буквально не могут быть взломаны обычными компьютерами в течение всей жизни на Земле. Тем не менее, квантовый компьютер мог бы факторизовать числа за разумный период.

С другой стороны, квантовые компьютеры смогут обеспечить непревзойденные функции безопасности. Они могут блокировать важные данные (например, онлайн-транзакции, учетные записи электронной почты) с помощью гораздо лучшего шифрования.
Для квантовых компьютеров было разработано множество алгоритмов, наиболее известными из которых являются алгоритм Гровера (для поиска в неструктурированной базе данных) и алгоритм Шора (для поиска в неструктурированной базе данных). факторинг больших чисел).

Читать:Новый метод повышения производительности квантового компьютера

4. Энергоэффективность

Энергопотребление - критический фактор для любого устройства, работающего на электричестве. Огромному количеству процессоров требуется изрядное количество блоков питания для поддержания своей производительности. Самый быстрый суперкомпьютер в мире (Summit), например, потребляет 13 МВт электроэнергии.

Однако с квантовыми компьютерами все становится действительно интересным. Поскольку они используют квантовое туннелирование, они снижают энергопотребление в 100–1000 раз.

5. Альтернативные реальности

Согласно квантовой физике, мы имеем дело с чем-то под названием Мультивселенная, где проблема может иметь множество или бесконечное количество вероятных решений. Например, вы можете читать эту статью на своем ноутбуке. В другой вселенной вы могли бы читать это с мобильного телефона во время путешествия.

Квантовый компьютер может выполнять n задач в n параллельных вселенных и получать результат. Если традиционный компьютер выполняет n вычислений за n секунд, квантовый компьютер может выполнить n ² расчеты за то же время.

Прочтите:25 крупнейших изобретений в области компьютерных наук

Возможно, вы помните, что Deep Blue от IBM был первым компьютером, который победил чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году. Компьютер сделал это, проанализировав 200 миллионов возможных ходов в секунду. Вдали от возможностей человеческого мозга! Но если бы это была квантовая машина, она бы вычисляла 1 триллион движений в секунду, 4 триллиона движений за 2 секунды и 9 триллионов движений за 3 секунды.

6. Почему сложно создавать квантовые компьютеры

Проблема квантовых компьютеров - стабильность. Оказывается, интерференция (любая вибрация нарушает вибрацию атомов) порождает тарабарщину. Электроны в квантовой механике ведут себя как волны и описываются волновой функцией. Эти волны могут интерферировать, вызывая странное поведение квантовых частиц, и это называется декогеренцией.

7. Холодная температура

Температура, необходимая для поддержания стабильного состояния для лучшей производительности, должна быть действительно низкой. Чтобы квантовые компьютеры работали, атомы должны быть стабильными. И один известный эффективный способ сохранить стабильность этих атомов - снизить температуру до нуля Кельвина, когда атомы станут стабильными без выделения тепла.

В настоящее время система D-Wave 2000Q является наиболее совершенным квантовым компьютером. Его сверхпроводящий процессор охлаждается до 0,015 Кельвина (в 180 раз холоднее, чем в межзвездном пространстве).

8. Навыки решения проблем

Квантовые компьютеры могут запускать классические алгоритмы; однако для получения эффективных результатов они используют алгоритмы, которые кажутся по своей сути квантовыми, или используют некоторые особенности квантовых вычислений, такие как квантовая запутанность или квантовая суперпозиция.

Неразрешимые классовые проблемы остаются неразрешимыми в квантовых вычислениях. Что делает квантовые алгоритмы увлекательными, так это то, что они могут решать проблемы быстрее, чем классические алгоритмы. Например, они могут решить задачу коммивояжера за секунды, что на обычных компьютерах занимает 30 минут.

Более того, квантовый компьютер может помочь обнаруживать далекие планеты, точно прогнозировать погоду, раньше обнаруживать рак и разрабатывать более эффективные лекарства, анализируя данные секвенирования ДНК.

Прочтите:20 величайших программистов всех времен

9. AI Game Changer

Искусственный интеллект находится на начальной стадии. Современный продвинутый робот может входить в комнату, распознавать материалы, форму и движущиеся тела, но ему не хватает факторов, делающих их действительно умными. Квантовые компьютеры намного лучше в области обработки информации - с 300 битами мы могли бы отобразить всю Вселенную.

Квантовые машины смогут экспоненциально увеличить скорость машинного обучения, сократив время с сотен тысяч лет до простых секунд.

Чтобы измерить расстояние между двумя большими векторами размером в 1 зеттабайт, обычному компьютеру с тактовой частотой ГГц потребуются сотни тысяч лет. В то время как квантовый компьютер с тактовой частотой ГГц (если он когда-либо будет построен в будущем) займет всего секунду после того, как векторы запутаются с вспомогательным кубитом.

10. Не все можно сделать быстро

Хотя квантовые компьютеры находят наиболее оптимальный способ решения проблемы, они полагаются на некоторые из основных математических принципов, которые ваш персональный компьютер использует ежедневно. Это относится к базовой арифметике, которая уже хорошо оптимизирована.

Нет лучшего способа сложить набор чисел, чем просто сложить их. В таких случаях классические компьютеры столь же эффективны, как и квантовые.

Прочтите:50 оттенков законов компьютерного программирования

11. Последние достижения в области квантовых вычислений

Ученые из Университета Нового Южного Уэльса разработали первый квантовый логический вентиль с использованием кремния в 2015 году. В том же году НАСА показало первый действующий квантовый компьютер, созданный D-Wave, стоимостью 15 миллионов долларов.

В 2016 году исследователи из Университета Мэриленда успешно создали первый перепрограммируемый квантовый компьютер. Два месяца спустя Базельский университет разработал вариант квантовой машины на основе электронно-дырочной машины, которая использует электронные дырки (вместо манипулирования электронными спинами) в полупроводнике при низких температурах, которые менее уязвимы для декогеренции.

В 2019 году Google AI в партнерстве с НАСА опубликовал документ, в котором утверждалось, что они достигли квантового превосходства - прорыв в истории квантовых вычислений.

Читайте:Новая квантовая частица - трехмерный скирмион в квантовом газе

12. Системы могут использоваться для моделирования квантовых машин

Одно из важнейших приложений квантовых вычислений - квантовые симуляторы. Они позволяют анализировать квантовые системы, которые невозможно смоделировать с помощью суперкомпьютеров и которые трудно изучать в лаборатории.

Квантовые симуляторы специально разработаны для понимания определенных физических проблем. Они могут быть сконструированы с помощью традиционных программируемых «цифровых» квантовых компьютеров, которые могут решать широкий круг квантовых задач.

К настоящему времени квантовые симуляторы реализованы на многих различных экспериментальных платформах, включая системы захваченных ионов, полярных молекул, ультрахолодных квантовых газов, квантовых точек и сверхпроводящих схем.

13. Язык программирования для квантовых компьютеров

В 2020 году исследователи разработали Sliq:простой для понимания язык программирования высокого уровня для квантовых компьютеров.

В квантовых вычислениях разработчикам обычно приходится иметь дело с несколькими неприятными вещами, такими как низкий уровень абстракции, приводящий к загромождению кода, временные значения, которые необходимо отбросить, и многое другое.

Хотя некоторые квантовые языки пытаются обойти это, они работают относительно запутанным образом. Sliq, с другой стороны, поддерживает безопасное автоматическое невычисление, что обеспечивает интуитивно понятную семантику.

Еще несколько интересных фактов и открытий

14. Квантовые вычисления были впервые упомянуты Ричардом Фейнманом в 1959 году в его знаменитой лекции «Внизу много места». Он рассматривал возможность манипулирования отдельными атомами как усовершенствованную форму синтетической химии.

15. Первый в мире протокол квантового распределения ключей, BB84, был разработан исследователями IBM Джиллис Брассардом и Чарльзом Беннеттом в 1984 году. Это метод безопасной отправки закрытого ключа из одной точки в другую для использования в одноразовом шифровании с блокнотом.

16. В феврале 2018 года физики придумали новую форму света, которая включает в себя связанные состояния трех фотонов в нелинейной квантовой среде, что могло стать толчком к революции квантовых вычислений.

17. В марте 2018 года Лаборатория квантового искусственного интеллекта, управляемая Ассоциацией космических исследований университетов, НАСА и Google, выпустила 72-кубитный процессор под названием Bristlecone.

18. Реалистичная модель квантовых вычислений основана на квантовых алгоритмах, которые можно разделить на категории по типу решаемой ими проблемы или используемым методам / идеям. В настоящее время у нас есть алгоритмы, основанные на усилении амплитуды, квантовом преобразовании Фурье и гибридных квантовых алгоритмах.

19. Несколько разных кандидатов преследуются для физической реализации квантовой машины. Среди них самые популярные -

• Квантовый компьютер на сверхпроводящих и захваченных ионах
• Спиновые и пространственные квантовые точки.
• Квантовый компьютер на основе алмаза
• Квантовая электродинамика резонаторов
• Молекулярный магнит

20. Данные, закодированные в квантовом состоянии, скопировать нельзя. Если вы попытаетесь прочитать эти данные, его квантовое состояние изменится. Эта функция может использоваться для выявления перехвата при квантовом распределении ключей.

21. К настоящему времени квантовые чипы производят пять компаний:Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience and Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) и D-Wave (Ranier).

Читайте:5 квантовых процессоров с новой вычислительной парадигмой

22. В 2020 году группа исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе установила новый рекорд по подготовке и измерению квантовых битов внутри квантового компьютера без ошибок. В частности, они достигли коэффициента ошибок подготовки и измерения 0,03%. Это повлияет практически на все области квантовой информатики.