Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен. Что такое квантовый компьютер

По прогнозам экспертов уже совсем скоро, лет через 10, микросхемы в компьютерах достигнут атомных измерений. Представляется логичным, что грядет эпоха квантовых компьютеров, с помощью которых скорость вычислительных систем может повыситься на несколько порядков.

Идея квантовых компьютеров сравнительно нова: в 1981 году Пол Бениофф впервые теоретически описал принципы работы квантовой машины Тьюринга.

В 1930-х Алан Тьюринг впервые описал теоретическое устройство, представляющее собой бесконечную ленту, разделенную на маленькие ячейки. Каждая ячейка может содержать в себе символ 1 или 0, или же остается пустой.

Управляющее устройство перемещается по ленте, считывая символы и записывая новые. Из набора таких символов составляется программа, которую машина должна выполнить.

В квантовой машине Тьюринга, предложенной Бениоффом, принципы работы остаются теми же, с той разницей, что как лента, так и управляющее устройство находятся в квантовом состоянии.

Это значит, что символы на ленте могут быть не только 0 и 1, но и суперпозициями обоих чисел, т. е. 0 и 1 одновременно. Таким образом, если классическая машина Тьюринга способна одновременно исполнять лишь одно вычисление, то квантовая занимается несколькими вычислениями параллельно.

Сегодняшние компьютеры работают по тому же принципу, что и нормальные машины Тьюринга – с битами, которые находятся в одном из двух состояний: 0 или 1. У квантовых компьютеров таких ограничений нет: информация в них зашифрована в квантовых битах (кубитах), которые могут содержать суперпозиции обоих состояний.

Работа над частью квантового компьютера D-Wave

©D-Wave Systems

Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть атомы, ионы, фотоны или электроны, имеющие два квантовых состояния. Фактически, если сделать элементарные частицы носителями информации, с помощью них можно построить компьютерную память и процессоры нового поколения.

Благодаря суперпозиции кубитов квантовые компьютеры изначально рассчитаны на выполнение параллельных вычислений. Этот параллелизм, по мнению физика Дэвида Дойча, позволяет квантовым компьютерам выполнять одновременно миллионы вычислений, в то время, как современные процессоры работают лишь с одним единственным.

30-кубитный квантовый компьютер по мощности будет равен суперкомпьютеру, работающему с производительностью 10 терафлопс (триллион операций в секунду). Мощность современных настольных компьютеров измеряется всего лишь гигафлопсах (миллиард операций в секунду).

Другое важное квантовомеханическое явление, которое может быть задействовано в квантовых компьютерах, называется «запутанностью». Основная проблема считывания информации из квантовых частиц заключается в том, что в процессе измерения они могут изменить свое состояние, причем совершенно непредсказуемым образом.

Фактически, если считать информацию с кубита, находящегося в состоянии суперпозиции, получим лишь 0 или 1, но никогда не оба числа одновременно. А это значит, что вместо квантового, мы будем иметь дело с нормальным классическим компьютером.

Чтобы решить эту проблему, ученые должны использовать такие измерения, которые не разрушают квантовую систему. Квантовая запутанность предоставляет потенциальное решение.

В квантовой физике, если приложить внешнюю силу к двум атомам, их можно «запутать» вместе таким образом, что один из атомов будет обладать свойствами другого. Это, в свою очередь, приведет к тому, что, например, измеряя спин одного атома, его «запутанный» близнец сразу примет противоположный спин.

Такое свойство квантовых частиц позволяет физикам узнать значение кубита, не измеряя его непосредственно.

В один прекрасный день квантовые компьютеры могут заменить кремниевые чипы, подобно тому, как транзисторы пришли на смену вакуумным трубкам. Однако современные технологии пока еще не позволяют строить полноценные квантовые компьютеры.

Сборка процессора квантового компьютера D-Wave Two

©D-Wave Systems

Тем не менее, с каждым годом исследователи объявляют о новых достижениях в области квантовых технологий, и надежда, что когда-нибудь квантовые компьютеры смогут превзойти обычные, продолжает крепнуть.

1998

Исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации.

2000

В марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-кубитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости.

2001

Демонстрация вычисления алгоритма Шора специалистами из IBM и Стэнфордского университета на 7-кубитном квантовом компьютере.

2005

В институте квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете впервые удалось создать кубайт (сочетание 8 кубитов) с помощью ионных ловушек.

2007

Канадская компания D-Wave продемонстрировала первый 16-кубитный квантовый компьютер, способный решать целый ряд задач и головоломок, типа судоку.

С 2011 года D-Wave предлагает за $11 млн долларов квантовый компьютер D-Wave One с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу – дискретную оптимизацию.

Человечество, как и 60 лет назад, снова стоит на пороге грандиозного прорыва в сфере вычислительных технологий. Уже очень скоро на смену сегодняшним вычислительным машинам придут квантовые компьютеры.

До чего дошёл прогресс

В далёком 1965 году Гордон Мур говорил, что за год количество транзисторов, вмещающихся в кремниевом микрочипе, увеличивается вдвое. Этот темп прогресса последнее время замедлился, и удвоение происходит реже - раз в два года. Даже такой темп в ближайшем будущем позволит достигнуть транзисторам размеров с атом. Дальше - рубеж, который переступить невозможно. С точки зрения физического строения транзистора он никак не может быть меньше атомарных величин. Увеличение размеров чипа проблему не снимает. Работа транзисторов связана с выделением тепловой энергии, и процессоры нуждаются в качественной системе охлаждения. Многоядерная архитектура также не решает вопрос дальнейшего роста. Достижение пика в развитии технологии современных процессоров произойдёт уже скоро.
Разработчики пришли к пониманию этой проблемы в то время, когда у пользователей только начали появляться персональные компьютеры. В 1980 году один из основателей квантовой информатики, советский профессор Юрий Манин, сформулировал идею квантовых вычислений. Уже через год Ричард Фейман предложил первую модель компьютера с квантовым процессором. Теоретические основы того, как должны выглядеть квантовые компьютеры, сформулировал Пол Бениофф.

Принцип работы квантового компьютера

Чтобы понимать, как работает новый процессор, необходимо иметь хотя бы поверхностные знания принципов квантовой механики. Нет смысла приводить здесь математические раскладки и выводить формулы. Обывателю достаточно ознакомиться с тремя отличительными особенностями квантовой механики:

• Состояние или положение частицы определяется только с какой-либо долей вероятности.
• Если частица может иметь несколько состояний, то она и находится сразу во всех возможных состояниях. Это принцип суперпозиции.
• Процесс измерения состояния частицы приводит к исчезновению суперпозиции. Характерно, что полученное измерением знание о состоянии частицы отличается от реального состояния частицы до проведения замеров.

С точки зрения здравого смысла - полная бессмыслица. В нашем обычном мире эти принципы можно представить следующим образом: дверь в комнату закрыта, и в то же время открыта. Закрыта и открыта одновременно.

В этом и заключено разительное отличие вычислений. Обычный процессор оперирует в своих действиях бинарным кодом. Компьютерные биты могут находиться только в одном состоянии - иметь логическое значение 0 или 1. Квантовые компьютеры оперируют кубитами, которые могут иметь логическое значение 0, 1, 0 и 1 сразу. Для решения определённых задач они будут иметь многомиллионное преимущество по сравнению с традиционными вычислительными машинами. Сегодня уже есть десятки описаний алгоритмов работы. Программисты создают особый программный код, который сможет работать по новым принципам вычислений.

Где будет применяться новая вычислительная машина

Новый подход в процессе вычислений позволяет работать с огромными массивами данных и выполнять моментальные вычислительные операции. С появлением первых ЭВМ некоторые люди, включая государственных деятелей, имели большой скепсис относительно применения их в народном хозяйстве. Есть и сегодня люди, полные сомнений относительно важности компьютеров принципиально нового поколения. Весьма продолжительное время технические журналы отказывались печатать статьи о квантовых вычислениях, считая это направление обычной мошеннической уловкой для одурачивания инвесторов.

Новый способ вычислений создаст предпосылки для научных грандиозных открытий во всех отраслях. Медицина решит многие проблемные вопросы, которых накопилось в последнее время довольно много. Станет возможным диагностика раковых заболеваний на более раннем этапе заболевания, чем сейчас. Химическая промышленность сможет синтезировать продукты с уникальными свойствами.

Прорыв в космонавтике не заставит себя ждать. Полёты к другим планетам станут таким же обыденным действием, как и ежедневные поездки по городу. Потенциал, который заложен в квантовых вычислениях, безусловно, преобразит нашу планету до неузнаваемости.

Другая отличительная особенность, которой обладают квантовые компьютеры, это способность квантового вычисления быстро подобрать нужный код или шифр. Обычный компьютер выполняет решение математической оптимизации последовательно, перебирая один вариант за другим. Квантовый конкурент работает сразу со всем массивом данных, молниеносно выбирая наиболее подходящие варианты за беспрецедентно короткое время. Банковские операции будут расшифрованы в мгновение ока, что современным вычислительным машинам недоступно.

Однако банковский сектор может не переживать - его тайну спасёт метод квантового шифрования с парадоксом измерения. При попытке вскрыть код произойдёт искажение передаваемого сигнала. Полученная информация не будет иметь никакого смысла. Секретные службы, шпионаж для которых - обычное дело, заинтересованы в возможностях квантовых вычислений.

Трудности конструирования

Сложность заключается в создании условий, при которых квантовый бит сможет бесконечно долго находиться в состоянии суперпозиции.

Каждый кубит представляет собой микропроцессор, который работает на принципах сверхпроводимости и законах квантовой механики.

Вокруг микроскопических элементов логической машины создаётся целый ряд уникальных условий окружающей среды:

• температура 0,02 градуса по Кельвину (-269,98 по Цельсию);
• система защиты от магнитного и электрического излучения (снижает воздействие этих факторов в 50 тысяч раз);
• система теплоотвода и гашения вибраций;
• разрежение воздуха ниже атмосферного давления в 100 миллиардов раз.

Небольшое отклонение окружающей среды вызывает мгновенную потерю кубитами состояния суперпозиции, что приводит к сбою в работе.

Впереди планеты всей

Всё вышеописанное можно было бы отнести к творчеству воспалённого разума писателя фантастических рассказов, если бы компания Google совместно с NASA не приобрела в прошлом году у канадской исследовательской корпорации квантовый компьютер D-Wave, процессор которого содержит 512 кубитов.

С его помощью лидер на рынке компьютерных технологий будет решать вопросы машинного обучения в сортировке и анализе больших массивов данных.

Немаловажное разоблачительное заявление сделал и покинувший США Сноуден - АНБ также планирует разработать свой квантовый компьютер.

2014 -начало эры D-Wave systems

Успешный канадский спортсмен Джорди Роуз после сделки с Google и NASA приступил к построению процессора в 1000 кубитов. Будущая модель по скорости и объёмам вычислений превзойдёт первый коммерческий прототип минимум в 300 тысяч раз. Квантовый компьютер, фото которого расположено ниже, является первым в мире коммерческим вариантом принципиально новой технологии вычислений.

Заняться научными разработками его побудило знакомство в университете с трудами Колина Уильямса по квантовым вычислениям. Надо сказать, что Уильямс сегодня работает в корпорации Роуза руководителем бизнес-проектов.

Прорыв или научный обман

Что такое квантовые компьютеры, до конца не знает и сам Роуз. За десять лет его команда прошла путь от создания процессора в 2 кубита до сегодняшнего первого коммерческого детища.

С самого начала исследований Роуз стремился создать процессор с минимальным количеством кубитов в 1 тысячу. И он обязательно должен был иметь коммерческий вариант - чтобы продать и заработать денег.

Многие, зная одержимость и коммерческую хватку Роуза, пытаются обвинить его в подлоге. Якобы за квантовый выдаётся самый обычный процессор. Этому способствует и то, что феноменальное быстродействие новая техника проявляет при выполнении определённых типов вычислений. В остальном же ведёт себя как вполне заурядный компьютер, только очень дорогой.

Когда же они появятся

Ждать осталось недолго. Исследовательская группа, организованная совместными приобретателями прототипа, в скором будущем даст отчёт о результате исследований на D-Wave.
Возможно, скоро грядёт время, в котором квантовые компьютеры перевернут наше представление об окружающем мире. И всё человечество в этот момент выйдет на более высокий уровень своей эволюции.

Такие машины просто необходимы сейчас в любой сфере: медицине, авиации, исследованиях космоса. В настоящее время разработкой ЭВМ на основе квантовой физики и вычислительных технологий. Основы работы такого вычислительного аппарата пока не доступны обычным пользователям и принимаются как нечто непостижимое. Ведь далеко не все знакомы с фотонными свойствами элементарных частиц и атомов. Чтобы хотя бы немного понять, как работает этот компьютер, нужно знать и понимать элементарные принципы квантовой механики. По большей мере эту когерентную ЭВМ разрабатывают для NASA.

Обычная машина выполняет операции, используя классические биты, которые могут принимать значения 0 или 1. С другой стороны фотонный вычислительный аппарат использует когерентные биты или кубиты. Они могут принимать значения 1 и 0 одновременно. Именно это отдает такой вычислительной технике их превосходящую вычислительную мощь. Существует несколько типов исчислительных объектов, которые могут быть использованы в роли кубитов.

1. Ядро атома.
2. Электрон.

У всех электронов есть магнитное поле, как правило, они похожи на маленькие магниты и это их свойство называется спином (spin). Если их поместить в магнитное поле, они подстроятся под него так же, как это делает компасная стрелка. Это положение самой низкой энергии, так что мы можем назвать его нулем или нижним спином. Но можно перенаправить электрон в состояние «один» или в верхний спин. Но для этого необходима энергия. Если достать стекло из компаса, можно будет перенаправить стрелку в другом направлении, но для этого необходимо приложить силу.

Есть две принадлежности: нижний и верхний спин, которые соответствуют классическим 1 и 0 соответственно. Но дело в том, что фотонные объекты могут находиться в двух положениях одновременно. Когда измеряется спин, он будет либо верхним, либо нижним. Но до измерения электрон будет существовать в, так называемой, квантовой суперпозиции, в которой эти коэффициенты указывают относительную вероятность нахождение электрона в том или ином состоянии.

Довольно сложно представить, как это дает когерентным аппаратам их невероятную исчислительную мощь, не рассматривая взаимодействие двух кубитов. Теперь существует четыре возможных состояния этих электронов. В типичном примере двух бит нужно только два бита информации. Так что два qubit содержит в себе четыре вида информации. А значит, надо знать четыре числа, чтобы знать положение системы. А если взять три спина, то получится восемь разных положений, а в типичном варианте нужны будут три бита. Получается, что количество информации, содержащееся в N qubits, равно 2N типовых бит. Показательная функция говорит, что если, например, будет 300 кубитов, то придется создать сумасшедшее-сложные суперпозиции, где все 300 qubit будут связаны между собой. Тогда получается 2300 классических бит, а это равно количеству частиц во всей вселенной. Отсюда следует, что требуется создать логическую последовательность, которая даст возможность получить такой результат исчислений, который можно будет измерить. То есть состоящий только из стандартных принадлежностей. Получается, что когерентная машина это не замена обычным. Они быстрее только в вычислениях, где есть возможность использовать все доступные суперпозиции. А если Вы хотите просто посмотреть качественное видео, пообщаться в интернете или написать статью для работы, фотонная ЭВМ не даст Вам никаких приоритетов.

В этом видео описан процесс работы квантового компьютера.

Если говорить простыми словами, то когерентная система рассчитана не на скорость исчисления, а на необходимое количество для достижения результатов, которое будет происходить за минимальную единицу времени.

Работа классической ЭВМ основана на обработке информации с помощью кремниевых чипов и транзисторов. Они используют бинарный код, который в свою очередь состоит из единиц и нулей. Когерентная же машина работает на основании суперпозиции. Вместо битов применяются qubit. Это позволяет не только быстро, но и максимально точно вести расчеты.

Какой же будет самая мощная фотонная исчислительная система? К примеру, если фотонная вычислительная машина имеет тридцати кубитную систему, то его мощность составит 10 триллионов вычислительных операций в секунду. В настоящее время самый мощный двух битный компьютер считает один миллиард операций в секунду.

Большая группа ученых из разных стран разработала план, согласно которому размеры фотонного аппарата будут близки к габаритам футбольного поля . Он и будет самым мощным в мире. Это будет некая конструкция из модулей, которая размещается в вакууме. Внутренность каждого модуля это ионизированные электрические поля. Именно с их помощью будут образовываться некие части схемы, которые будут выполнять простые логические действия. Образец такой фотонной исчислительной технике разрабатывается в Университете Сассекса в Англии. Ориентировочная стоимость на данный момент более 130 миллионов долларов.

Десять лет назад компания D-Wave представила первый в мире когерентный компьютер, который состоит из 16 кубитов. Каждый qubit в свою очередь состоит из кристалла ниобия, который помещен в катушку индуктивности. Электрический ток, который подается на катушку, образовывает магнитное поле. Далее оно изменяет принадлежность, в котором находится qubit. С помощью такой машины можно с легкостью выяснить, как синтетические лекарственные средства взаимодействуют с белками крови.
Или появится возможность определить такое заболевание как рак на более раннем этапе.

В этом видео преведены рассуждения на тему "Для чего нужен квантовый компьютер миру". Не забывайте оставлять свои замечания, вопросы и просто