Квантовые компьютеры не должны проверять вашу электронную почту, обновлять статус или выполнять обычные программные/аппаратные задачи. Вместо этого они основаны на чем-то более сложном — квантовой механике.
Квантовый компьютер имеет дело с частицей, намного меньшей, чем размер атома. В таком меньшем масштабе правила физики не имеют никакого смысла. Именно здесь начинают происходить захватывающие вещи. Частицы могут двигаться вперед и назад или даже существовать одновременно. Эти типы компьютеров могут увеличить вычислительную мощность сверх того, что достижимо на современных обычных компьютерах.
Давайте уточним, что мы знаем о квантовых вычислениях в настоящее время. Мы собрали некоторые интересные факты о квантовых компьютерах, которые определенно ошеломят вас.
1. Схема хранения информации
Компьютеры, которые мы используем сегодня, хранят данные в двоичном формате — серии 0 и 1. Каждый компонент памяти называется битом, и им можно манипулировать с помощью шагов булевой логики.
С другой стороны, квантовый компьютер будет хранить данные в виде 0, 1 или квантовой суперпозиции двух состояний. Такой квантовый бит (также известный как кубиты) обладает гораздо большей гибкостью по сравнению с двоичной системой.
Кубиты могут быть реализованы с помощью частиц с двумя спиновыми состояниями — «вверх» и «вниз». Такая система может быть отображена на эффективную систему со спином 1/2.
2. Пылающая скорость
Поскольку квантовый компьютер может существовать не только в 0 и 1, 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 оставил бы 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 упадет до одного состояния. Возможность одновременного выполнения нескольких задач называется квантовым параллелизмом.
3. Переопределение безопасности
Скорость квантового компьютера также является серьезной проблемой в области шифрования и криптографии. Современные системы финансовой безопасности в мире основаны на факторизации больших чисел (алгоритмы RSA или DSA), которые буквально не могут быть взломаны обычными компьютерами в течение жизни Земли. Тем не менее квантовый компьютер может рассчитывать числа в разумный период времени.
С другой стороны, квантовые компьютеры смогут обеспечить небьющиеся функции безопасности. Они могут блокировать важные данные (например, онлайн-транзакции, учетные записи электронной почты) с гораздо лучшим шифрованием.
Многие алгоритмы были разработаны для квантовых компьютеров — наиболее известными являются алгоритм Гровера для поиска в неструктурированной базе данных и алгоритм Шора для факторизации больших чисел.
4. Энергоэффективность
Потребляемая мощность является критическим фактором для любого устройства, работающего на электричестве. Огромному массиву процессоров требуется изрядное количество блоков питания для поддержания их производительности. Самый быстрый суперкомпьютер в мире Sunway TaihuLight (по состоянию на апрель 2017 года) потребляет 15,37 МВт электроэнергии.
Однако, это становится захватывающим с квантовыми компьютерами. Поскольку они используют квантовое туннелирование, они уменьшат энергопотребление в 100-1000 раз.
5. Альтернативные реальности
Согласно квантовой физике, мы имеем дело с тем, что называется Мультивселенной, где проблема может иметь много или бесконечное количество возможных решений. Например, вы можете читать эту статью на своем Macbook. В другом вы, возможно, читаете это по мобильному телефону во время путешествия.
Квантовый компьютер может выполнять «n» задач в «n» параллельных вселенных и достигать конечного результата. Если традиционный компьютер делает «N» вычисления в «N» секунд, квантовый компьютер может выполнить «N 2» вычисления в то же время.
Возможно, вы помните, что Deep Blue IBM был первым компьютером, победившим чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году. Компьютер сделал это, изучая 200 миллионов возможных ходов в секунду. Вдали от способностей человеческого мозга! Но если бы это была квантовая машина, она бы рассчитала 1 триллион ходов в секунду, 4 триллиона ходов за 2 секунды и 9 триллионов ходов за 3 секунды.
6. Почему сложно построить квантовые компьютеры
Проблема с квантовым компьютером — стабильность. Оказывается интерференция, любой вид вибрации расстроит вибрацию атомов, создавая ерунду. Электроны в квантовой механике ведут себя как волны и описываются волновой функцией. Эти волны могут мешать, вызывая странное поведение квантовых частиц, и это называется декогеренцией.
7. Низкая температура
Температура, необходимая для поддержания стабильного состояния для лучшей производительности, должна быть действительно низкой. Чтобы квантовые компьютеры работали, атомы должны быть стабильными. И единственный известный эффективный способ поддержания стабильности этих атомов — это снижение температуры до нуля Кельвина, где атомы становятся стабильными без выделения тепла.
В настоящее время система D-Wave 2000Q является самым совершенным квантовым компьютером. Его сверхпроводящий процессор охлаждается до 0,015 Кельвина (в 180 раз холоднее, чем межзвездное пространство).
8. Навыки решения проблем
Квантовые компьютеры могут запускать классические алгоритмы, однако для получения эффективных результатов они используют алгоритмы, которые кажутся изначально квантовыми, или используют некоторые особенности квантовых вычислений, такие как квантовое запутывание или квантовая суперпозиция.
Неразрешимые проблемы классов остаются неразрешимыми в квантовых вычислениях. Что делает квантовый алгоритм увлекательным, так это то, что они смогут решать проблемы быстрее, чем классические алгоритмы. Они могут решить за считанные секунды, что занимает 30 минут на обычных компьютерах.
Более того, квантовый компьютер может помочь обнаруживать далекие планеты, осуществлять точное прогнозирование погоды, раньше выявлять рак и разрабатывать более эффективные лекарства, анализируя данные секвенирования ДНК.
9. ИИ начало игры
Искусственный интеллект находится в начальной фазе. Современный продвинутый робот может входить в комнату, распознавать материал, форму и движущиеся тела, но ему не хватает факторов, которые делают их по-настоящему умными. Квантовые компьютеры намного лучше в области обработки информации — с 300 битами мы сможем отобразить всю вселенную.
Квантовые компьютеры смогут экспоненциально ускорить скорость машинного обучения, сократив время с сотен тысяч лет до нескольких секунд.
Для измерения расстояния между двумя большими векторами размером 1 зеттабайт обычному компьютеру с тактовой частотой ГГц потребуются сотни тысяч лет. В то время как квантовый компьютер с тактовой частотой ГГц (если он будет построен в будущем) займет всего лишь около секунды после того, как векторы запутаются с вспомогательным кубитом.
10. Не все может быть сделано быстро
Хотя квантовые компьютеры находят наиболее оптимальный способ решения проблемы, они используют некоторые основные математические принципы, которые ваш персональный компьютер использует ежедневно. Это относится к базовой арифметике, которая уже хорошо оптимизирована.
Нет лучшего способа добавить набор чисел, чем просто сложить их. В таких случаях классические компьютеры столь же эффективны, как квантовые компьютеры.
11. Последние достижения в области квантовых вычислений
Ученые из Университета Нового Южного Уэльса разработали первый квантовый логический элемент в кремнии в 2015 году. В том же году НАСА представило первый операционный 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 определил вариант квантовой машины на основе электронных дырок, которая использует электронные дыры (вместо того, чтобы манипулировать электронными спинами) в полупроводнике при низких температурах, которые гораздо менее уязвимы для декогеренции.
Еще несколько интересных фактов и открытий
12. Квантовые вычисления впервые были упомянуты Ричардом Фейнманом в 1959 году в его знаменитой лекции «Внизу много места». Он рассматривал возможность манипулирования отдельными атомами как расширенную форму синтетической химии.
13. Первый в мире протокол распространения квантовых ключей, BB84, был разработан исследователями IBM Джиллис Брассард и Чарльзом Беннеттом в 1984 году. Это метод безопасной отправки секретного ключа из одной точки в другую для использования в одноразовом шифровании с использованием клавиатуры.
14. В феврале 2018 года физики придумали новую форму света, включающую трифотонные связанные состояния в квантовой нелинейной среде, которая могла бы привести к революции квантовых вычислений.
15. В марте 2018 года Лаборатория квантового искусственного интеллекта, управляемая Ассоциацией космических исследований университетов, НАСА и Google, выпустила 72-битный процессор под названием Bristlecone.
16. Реалистичная модель квантовых вычислений работает на квантовых алгоритмах, которые могут быть классифицированы по типу задачи, которую они решают, или технике/идеям, которые они используют. В настоящее время у нас есть алгоритмы, основанные на усилении амплитуды, квантовом преобразовании Фурье и гибридных квантовых алгоритмах.
17. В настоящее время рассматривается несколько различных кандидатов на физическую реализацию квантовой машины. Среди них самыми популярными являются —
- Спиновая и пространственная квантовая точка
- Квантовый компьютер на алмазной основе
- Полость квантовая электродинамика
- Молекулярный магнит
18. До сих пор 5 компаний производили квантовые чипы — Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience and Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) и D-Wave (Ranier).