Квантовые компьютеры: 22 ключевых факта (издание 2021)

Квантовые компьютеры: 22 ключевых факта (издание 2021)

Квантовые компьютеры не предназначены для проверки почты, обновления статусов или обычных задач ПО/железа. Они основаны на чём-то более сложном — Квантовой механике.

Квантовый компьютер работает с частицами, намного меньшими атомов. На таких масштабах правила физики не имеют смысла. И здесь начинается самое интересное. Частицы могут двигаться туда-сюда или существовать одновременно. Такие компьютеры могут увеличить вычислительную мощность за пределы возможностей современных классических компьютеров.

Давайте подробно разберём, что мы знаем о квантовых вычислениях сейчас. Мы собрали некоторые увлекательные факты о квантовых компьютерах, которые перевернут ваш разум.

1. Паттерн хранения информации

Современные компьютеры хранят данные в бинарном формате — последовательность 0 и 1. Каждый элемент памяти называется бит и манипулируется через шаги булевой логики.

Квантовый компьютер хранит данные как «0», «1» или квантовую суперпозицию этих двух состояний. Такой квантовый бит (кубит) обладает гораздо большей гибкостью по сравнению с бинарной системой.

Кубиты можно реализовать с частицами, имеющими два спиновых состояния — «вверх» и «вниз». Такую систему можно отобразить на эффективную спиновую 1/2 систему.

2. Ослепительная скорость

Так как данные в квантовых компьютерах могут существовать не только в состояниях 0 и 1, они могут выполнять вычисления параллельно. Рассмотрим простой пример: если кубит в суперпозиции состояний 0 и 1, и он выполняет вычисление с другим кубитом в похожей суперпозиции, получится четыре результата — 0/1, 0/0, 1/0 и 1/1.

Квантовый компьютер покажет вышеуказанный результат в состоянии декогеренции, которое длится (пока он в суперпозиции) до схлопывания в одно состояние. Способность выполнять множественные задачи одновременно называется квантовой параллельностью.

3. Безопасность переопределённая

Скорость квантовых компьютеров — серьезная проблема для шифрования и криптографии. Современные финансовые системы безопасности основаны на факторизации больших чисел (RSA или DSA), которые буквально не могут быть взломаны классическими компьютерами за время жизни Земли. Однако квантовый компьютер мог бы факторизовать числа за разумное время.

С другой стороны, квантовые компьютеры смогут обеспечивать невидимую безопасность. Они смогут защищать критические данные (онлайн-транзакции, почтовые аккаунты) гораздо лучшим шифрованием.

Многие алгоритмы разработаны для квантовых компьютеров — самые известные: алгоритм Гровера (поиск в неструктурированной базе данных) и алгоритм Шора (факторизация больших чисел).

Читайте: Новый метод повышения производительности квантового компьютера

4. Энергоэффективность

Потребление энергии — критичный фактор любого устройства на электричестве. Огромные массивы процессоров нуждаются в мощном питании для поддержания производительности. Самый быстрый суперкомпьютер мира (Summit), например, потребляет 13 МВт.

Но с квантовыми компьютерами всё становится интересным. Поскольку они используют квантовое туннелирование, они снизят потребление энергии в 100–1000 раз.

5. Альтернативные реальности

По квантовой физике, мы имеем дело с Мультивселенной, где у задачи может быть много или бесконечно вероятных решений. Например, вы читаете эту статью на ноутбуке. В другой вселенной вы читаете её на телефоне в пути.

Квантовый компьютер может выполнять «n» задач в «n» параллельных вселенных и приходить к результату. Если классический компьютер делает «n» вычислений за «n» секунд, квантовый компьютер может выполнить «n²» вычислений за то же время.

Читайте: 25 величайших изобретений в информатике

Вы можете помнить, что Deep Blue от IBM был первым компьютером, победившим чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году. Он делал это, просматривая 200 млн возможных ходов в секунду. Далеко от способностей человеческого мозга! Но если бы это была квантовая машина, она бы рассчитывала 1 трлн ходов в секунду, 4 трлн за 2 секунды и 9 трлн за 3 секунды.

6. Почему трудно строить квантовые компьютеры

Проблема квантовых компьютеров — стабильность. Оказывается, интерференции (любая вибрация нарушает колебание атомов) создают бессмыслицу на выходе. Электроны в квантовой механике ведут себя как волны и описываются волновой функцией. Эти волны могут интерферировать, вызывая странное поведение квантовых частиц — это называется декогеренцией.

7. Низкая температура

Температура для поддержания стабильного условия для лучшей производительности должна быть действительно низкой. Чтобы заставить квантовые компьютеры работать, атомы должны быть стабильны. Известный эффективный способ — снизить температуру до нуля Кельвина, где атомы становятся стабильными без выделения тепла.

На данный момент система D-Wave 2000Q — самый продвинутый квантовый компьютер. Её сверхпроводящий процессор охлаждается до 0,015 Кельвина (в 180 раз холоднее межзвездного пространства).

8. Навыки решения задач

Квантовые компьютеры могут запускать классические алгоритмы; однако для эффективных результатов они используют алгоритмы, кажущиеся инhérентно квантовыми или использующие особенности квантовых вычислений: квантовую запутанность или суперпозицию.

Нерешаемые классы задач остаются нерешаемыми в квантовых вычислениях. Что делает квантовые алгоритмы увлекательными — они решают задачи быстрее классических. Например, задачу коммивояжера за секунды, которая на обычных компьютерах занимает 30 минут.

Кроме того, квантовый компьютер может помочь обнаружить далекие планеты, точно прогнозировать погоду, выявлять рак на ранних стадиях и разрабатывать более эффективные лекарства, анализируя данные секвенирования ДНК.

Читайте: 20 величайших программистов всех времён

9. ИИ — гейм-чейнджер

Искусственный интеллект в начальной фазе. Современный передовый робот может войти в комнату, распознать материалы, формы и движущиеся тела, но лишен факторов, делающих его по-настоящему интеллектуальным. Квантовые компьютеры намного лучше в обработке информации — с 300 битами мы смогли бы отобразить всю вселенную.

Квантовые машины смогут экспоненциально ускорить операции машинного обучения, сокращая время от сотен тысяч лет до секунд.

Для измерения расстояния между двумя большими векторами размером 1zettabyte, обычный компьютер с тактовой частотой ГГц потратит сотни тысяч лет. Тогда как квантовый компьютер с тактовой частотой ГГц (если когда-нибудь будет построен) потратит всего секунду после запутывания векторов с вспомогательным кубитом.

10. Не всё можно ускорить

Хотя квантовые компьютеры находят наиболее оптимальный способ решения задачи, они опираются на некоторые базовые математические принципы, которые ваш личный компьютер использует ежедневно. Это относится к базовой арифметике, уже хорошо оптимизированной.

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

Читайте: 50 оттенков законов программирования

11. Последние достижения в квантовых вычислениях

Учёные Университета Нового Южного Уэльса разработали первый квантовый логический вентиль на кремнии в 2015 году. В том же году NASA раскрыла первый оперативный квантовый компьютер от D-Wave стоимостью $15 млн.

В 2016 году исследователи Университета Мэриленда успешно создали первую перепрограммируемую квантовую машину. Через два месяца Базельский университет специфицировал вариант электронно-дырочной квантовой машины, использующей электронные дыры (вместо манипуляции спинами электронов) в полупроводнике при низких температурах, что намного менее уязвимо для декогеренции.

В 2019 году Google AI в партнёрстве с NASA опубликовала статью, заявляя о достижении квантового превосходства — прорыва в истории квантовых вычислений.

Читайте: Новая квантовая частица — 3D скирмион в квантовом газе

12. Системы для симуляции квантовых машин

Одно из самых важных применений квантовых вычислений — квантовые симуляторы. Они позволяют анализировать квантовые системы, невозможные для моделирования на суперкомпьютерах и сложные для изучения в лаборатории.

Квантовые симуляторы специально спроектированы для понимания определённых физических проблем. Их можно строить на обычных программируемых «цифровых» квантовых компьютерах, решающих широкий спектр квантовых задач.

На данный момент квантовые симуляторы реализованы во многих экспериментальных платформах: системы заряженных ионов, полярные молекулы, ультрахолодные квантовые газы, квантовые точки, сверхпроводящие цепи.

13. Язык программирования для квантовых компьютеров

В 2020 году исследователи разработали Sliq: понятный высокоуровневый язык программирования для квантовых компьютеров.

В квантовых вычислениях разработчики обычно сталкиваются с раздражающими вещами: низкий уровень абстракции, ведущий к засоренному коду, временные значения, требующие удаления, и многое другое.

Хотя некоторые квантовые языки пытаются обойти это, они работают относительно запутанно. Sliq поддерживает безопасную автоматическую невычислимость, обеспечивая интуитивную семантику.

Ещё несколько увлекательных фактов и открытий

14. Квантовые вычисления впервые упомянул Ричард Фейнман в 1959 году в знаменитой лекции «На дне полно места». Он рассматривал возможность манипулирования отдельными атомами как улучшенную форму синтетической химии.

15. Первый в мире протокол квантового распределения ключей BB84 разработали исследователи IBM Джиль Брассар и Чарльз Беннет в 1984 году. Это техника безопасной передачи приватного ключа из одной точки в другую для одноразового шифрования.

16. В феврале 2018 года физики представили новую форму света, включающую трёхфотонные связанные состояния в нелинейной квантовой среде, способную привести к революции в квантовых вычислениях.

17. В марте 2018 года Лаборатория квантового ИИ — под эгидой Университета космических исследований, NASA и Google — выпустила 72-кубитный процессор Bristlecone.

18. Реалистичная модель квантовых вычислений работает на квантовых алгоритмах, классифицируемых по типу решаемой задачи или используемой технике/идее. Сейчас есть алгоритмы на основе амплитудного усиления, квантового преобразования Фурье и гибридных квантовых алгоритмов.

19. Несколько разных кандидатов рассматриваются для физической реализации квантовой машины. Среди них самые популярные:

• Сверхпроводящие и ионные ловушки квантовые компьютеры
• Спиновые и пространственные квантовые точки
• Алмазные квантовые компьютеры
• Кавитационная квантовая электродинамика
• Молекулярные магниты

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

21. На данный момент пять компаний произвели квантовые чипы — Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience и Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q), D-Wave (Ranier).

Читайте: 5 квантовых процессоров с новой вычислительной парадигмой

22. В 2020 году команда исследователей Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе установила новый рекорд по подготовке и измерению кубитов внутри квантового компьютера без ошибки. Конкретно, они достигли ошибки подготовки и измерения 0,03%. Это повлияет почти на каждую область квантовой информационной науки.