Что такое квантовый компьютер и как он работает?




IBM, Google и некоторое количество стартапов соревнуются в создании суперкомпьютеров следующего поколения. Квантовые компьютеры, если они когда-нибудь и выйдут в продажу, помогут нам решать такие проблемы, как, например, моделирование сложных химических процессов, чего современные компьютеры, к сожалению, достичь не смогут практически никогда.

Но квантовое будущее не придет так легко, как могло бы показаться, и никто понятия не имеет, как оно будет выглядеть. На данный момент, компании и исследователи используют несколько различных подходов в создании самого мощного компьютера, который когда-либо видел мир. Здесь будет рассказано все о том, что вам необходимо знать о надвигающейся квантовой революции.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления используют преимущество странной возможности субатомных частиц все время существовать в более, чем одном состоянии. Благодаря тому, как ведут себя эти маленькие частицы, операции выполняются намного быстрее, при чем энергии требуется намного меньше, чем требуют ее обычные компьютеры.

В классических вычислениях, бит – это одна часть информации, которая может существовать в двух состояниях – 1 или 0. Квантовые вычисления используют квантовые биты, или, как их принято называть, «кубиты». Это квантовые системы с двумя состояниями. Однако, в отличие от обычного бита, они могут хранить намного больше информации, чем просто 1 или 0, потому что они могут существовать в любой суперпозиции этих значений.
«Разница между классическими битами и кубитами заключается в том, что мы так же можем превратить кубиты в квантовую суперпозицию 0 и 1 и создать нетривиальные коррелированные состояния ряда кубитов, которые называются ‘запутанные состояния’» — говорит Алексей Федоров, преподаватель физики Московского физико-технического института.

Кубит можно представить в виде воображаемой сферы. Когда классический бит может быть в двух состояниях – как бы любым из двух полюсов сферы – кубит может быть любой точкой этой сферы. Это значит, что компьютер, использующий эти биты может хранить огромное количество информации, затрачивая при этом намного меньше энергии, чем обычный компьютер.

Насколько мы близки к квантовым компьютерам?

До недавнего времени казалось, что именно Google возглавит создание квантового компьютера, который мог бы превзойти возможности обычного компьютера. В статье «Nature», опубликованной в марте 2017 года, этот поисковый гигант установил амбициозные планы по коммерциализации квантовых технологий в ближайшие пять лет. Вскоре после это, Google заявила, что собирается создать квантовый 49 кубитный компьютер, являющийся «квантовым превосходством», к концу 2017 года.

Сейчас квантовое превосходство, которое обозначает превосходство квантовых компьютерах в вычислениях, которые обычным компьютерами и не снились, не слишком распространенный термин в квантовом сообществе. Те, кто скептически относятся к квантовому проекту Google, или как минимум к тому, как они говорят о квантовых вычислениях, утверждают, что превосходство – это лишь произвольная цель, поставленная Google, чтобы казалось, что компания делает успехи в кванте.

Независимо от того, было ли это произвольной целью или нет, Google побеждена в борьбе за «превосходство» компанией IBM в ноябре 2017 года, когда она анонсировала, что создала 50 кубитный квантовый компьютер. И хотя система была далеко не стабильной, так как она смогла продержать свое квантовое микросостояние всего 90 микросекунд, она доказала, что квантовые вычисления вполне себе возможны и очень даже реальны. Только потому, что IBM создала 50 кубитную систему, однако, не обязательно значит, что они добились превосходства и однозначно не значит, что она создала квантовый компьютер, который хоть насколько-нибудь близок к практическому использованию.

Где IBM опередила Google, так это коммерческое продвижение квантовых компьютеров. С 2016, она предлагает исследователям шанс проводить их эксперименты на 3 кубитовом компьютере через «облако» и в конце 2017 начала создание ее 20 кубитной системы, также доступной «онлайн».
Но в гонке за квантовое превосходство участвуют не только две лошади. Калифорнийский стартап Rigetti фокусируется на стабильности своих собственный систем больше, чем на количестве кубитов, и он может быть первым, кто создаст квантовый компьютер, которым действительно можно будет пользоваться простому человеку. D-Wave, компания, основанная в Ванкувере, уже создали, как они называют, 2000 кубитную систему, хотя многие исследователи не считают систему от компании D-Wave настоящим квантовым компьютером. Intel тоже приняли участи в гонке. В феврале 2018 года компания анонсировала, что они обнаружили способ производства квантовых чипов из силикона, что сделает их производство намного проще и доступнее.

Что такого могут предложить квантовые компьютеры в отличие от обычных?

Квантовые компьютеры работают на совершенно различных с существующими компьютерами принципах, которые отлично подходят для решения конкретных математических задач, например, поиск огромных простых чисел. Поскольку простые числа очень важны в криптографии, вполне вероятно, что квантовые компьютеры смогут быстро взламывать системы, защищающие нашу личную информацию. Из-за подобных рисков, исследователи уже работают над системами, устойчивыми к квантовому взлому, и, даже возможно, что криптографические квантовые системы будут гораздо безопаснее своих аналогов.

Исследователи так же в восторге от перспективы использования квантовых компьютеров для моделирования сложных химических процессов, в которых современные суперкомпьютеры, к сожалению, показывают себя не с лучшей стороны. В июле 2016 года инженеры Google использовали квантовое устройство для симуляции молекулы водорода, что никто никогда не делал, и благодаря этому IBM позже смогли смоделировать поведение более сложных частиц. В конце концов, исследователи надеются, что они смогут использовать квантовое моделирование для разработки совершенно новых молекул, которые можно было бы использовать, например, в медицине, что, несомненно, в разы поднимет уровень жизни по всему миру. Вопрос лишь в том, когда это случится?

Перевод. Авторы ABIGAIL BEALL and MATT REYNOLDS.  Оригинал

1+





Aviasales WW




ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ


Топ-10 фруктов для офисных работников

7 основных элементов эффективной стратегии входящего маркетинга в 2019 году

Кое-что о собачьем зрении

Как недосыпание сказывается на работе нашего мозга?

Дрифтинг Делореан на автопилоте к 21.10.2015

Что не так с моделью социальных медиа?