Что такое квантовые вычисления? Объяснение следующей эры вычислительной эволюции

Когда вы впервые сталкиваетесь с термином «квантовый компьютер», вы можете выдать его за какую-то обширную научно-фантастическую концепцию, а не за серьезную текущую новость.

Но поскольку эту фразу повторяют все чаще, вполне понятно задаться вопросом, что именно такое квантовые компьютеры, и столь же понятно растеряться, куда погружаться. Вот краткое изложение того, что такое квантовые компьютеры, почему вокруг них так много шума и что они могут значить для вас.

Что такое квантовые вычисления и как они работают?

Все вычисления основаны на битах, наименьшей единице информации, которая закодирована как состояние «включено» или «выключено», чаще называемое 1 или 0, в той или иной физической среде.

Большую часть времени бит принимает физическую форму электрического сигнала, распространяющегося по цепям материнской платы компьютера. Объединив несколько битов вместе, мы можем представить более сложные и полезные вещи, такие как текст, музыка и многое другое.

Два ключевых различия между квантовыми битами и «классическими» битами (от компьютеров, которые мы используем сегодня) — это физическая форма, которую принимают биты, и, соответственно, природа закодированных в них данных. Электрические биты классического компьютера могут существовать одновременно только в одном состоянии: 1 или 0.

Квантовые биты (или «кубиты») состоят из субатомных частиц, а именно отдельные фотоны или электроны. Поскольку эти субатомные частицы больше соответствуют правилам квантовой механики, чем классической механики, они демонстрируют причудливые свойства квантовых частиц. Самым важным из этих свойств для ученых-компьютерщиков является суперпозиция. Это идея о том, что частица может существовать в нескольких состояниях одновременно, по крайней мере, до тех пор, пока это состояние не будет измерено и не превратится в одно состояние. Используя это свойство суперпозиции, ученые-компьютерщики могут заставить кубиты кодировать 1 и 0 одновременно.

Другая квантовомеханическая причуда, которая заставляет квантовые компьютеры работать, — это запутанность, соединение двух квантовых частиц или, в данном случае, двух кубитов. Когда две частицы запутаны, изменение состояния одной частицы изменит состояние ее партнера по частице. предсказуемым способом, который пригодится, когда придет время заставить квантовый компьютер вычислить ответ на задачу ты его кормишь.

Кубиты квантового компьютера начинают работу в гибридном состоянии 1 и 0, когда компьютер изначально начинает решать проблему. Когда решение найдено, кубиты в суперпозиции сжимаются до правильной ориентации стабильных единиц и нулей для возврата решения.

В чем польза квантовых вычислений?

Помимо того факта, что они находятся далеко за пределами досягаемости всех, кроме самых элитных исследовательских групп (и, вероятно, останутся такими еще какое-то время), большинство из нас не особо используют квантовые компьютеры. Они не дают никаких реальных преимуществ перед классическими компьютерами для тех задач, которые мы выполняем большую часть времени.

Однако даже самые мощные классические суперкомпьютеры с трудом решают некоторые проблемы из-за присущей им вычислительной сложности. Это связано с тем, что некоторые расчеты можно выполнить только методом грубой силы, угадывая, пока не будет найден ответ. В итоге у них появляется так много возможных решений, что всем суперкомпьютерам мира вместе взятым потребуются тысячи лет, чтобы найти правильное.

Свойство суперпозиции, проявляемое кубитами, может позволить суперкомпьютерам резко сократить время угадывания. Кропотливые вычисления методом проб и ошибок классических вычислений позволяют сделать только одно предположение за раз. в то время как двойное состояние кубитов квантового компьютера 1 и 0 позволяет ему делать несколько предположений одновременно. время.

Итак, какие же задачи требуют всех этих трудоемких догадок? Одним из примеров является моделирование атомных структур, особенно когда они химически взаимодействуют со структурами других атомов. С помощью квантового компьютера, обеспечивающего атомное моделирование, исследователи в области материаловедения смогут создавать новые соединения для использования в технике и производстве. Квантовые компьютеры хорошо подходят для моделирования таких сложных систем, как экономические рыночные силы, астрофизическая динамика или закономерности генетических мутаций в организмах, и это лишь некоторые из них.

Однако среди всех этих в целом безобидных применений этой новой технологии есть и некоторые варианты использования квантовых компьютеров, вызывающие серьезные опасения. Безусловно, наиболее часто упоминаемый вред — это возможность квантовых компьютеров взломать некоторые из самых надежных алгоритмов шифрования, используемых в настоящее время.

В руках агрессивного противника из иностранного правительства квантовые компьютеры могут поставить под угрозу широкий спектр безопасного интернет-трафика, в результате чего конфиденциальные сообщения становятся уязвимыми для широкомасштабного наблюдение. В настоящее время ведется работа по усовершенствованию шифров шифрования, основанных на расчетах, которые все еще сложны. даже квантовые компьютеры могут быть созданы, но не все они готовы к использованию в прайм-тайм и не получили широкого распространения в настоящее время.

Возможны ли вообще квантовые вычисления?

Чуть более десяти лет назад фактическое производство квантовых компьютеров едва находилось на начальной стадии. Однако начиная с 2010-х годов началась разработка действующих прототипов квантовых компьютеров. Несколько лет назад ряд компаний собрали работающие квантовые компьютеры, а IBM зашла так далеко, что позволила исследователям и любителям запускать на нем свои собственные программы через облако.

Несмотря на успехи, которые, несомненно, добились такие компании, как IBM, в создании функционирующих прототипов, квантовые компьютеры все еще находятся в зачаточном состоянии. В настоящее время квантовые компьютеры, созданные исследовательскими группами, требуют больших затрат на исправление ошибок. На каждый кубит, реально выполняющий вычисления, приходится несколько десятков, задача которых — компенсировать его ошибку. Совокупность всех этих кубитов образует так называемый «логический кубит».

Короче говоря, титаны промышленности и науки заставили квантовые компьютеры работать, но делают они это очень неэффективно.

У кого есть квантовый компьютер?

Жесткая конкуренция между исследователями квантовых компьютеров все еще бушует, как между крупными, так и между мелкими игроками. Среди тех, у кого есть работающие квантовые компьютеры, традиционно доминирующие технологические компании, как и следовало ожидать: IBM, Intel, Microsoft и Google.

Каким бы трудным и дорогостоящим ни было создание квантового компьютера, существует удивительное количество небольших компаний и даже стартапов, которые готовы принять этот вызов.

Сравнительно худой D-Wave Systems способствовала множеству достижений в этой области. и доказал, что это не исключено из разногласий, ответив на важное заявление Google новостями о огромная сделка с Лос-Аламосскими национальными лабораториями. Тем не менее, более мелкие конкуренты, такие как Rigetti Computing, также претендуют на победу. зарекомендовать себя как новаторы в области квантовых вычислений.

В зависимости от того, кого вы спросите, вы получите другого претендента на звание «самого мощного» квантового компьютера. Google, безусловно, недавно доказал свою правоту со своим достижение квантового превосходства, показатель, который более или менее разработал сам Google. Квантовое превосходство — это момент, когда квантовый компьютер впервые может превзойти классический компьютер в некоторых вычислениях. Прототип Google Sycamore оснащенный 54 кубитами, смог преодолеть этот барьер, преодолев проблему чуть менее чем за три с половиной минуты, на что мощнейшему классическому суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет через.

Чтобы не отставать, D-Wave хвастается, что устройства, которые она вскоре будет поставлять в Лос-Аламос, весят 5000 кубитов каждое, хотя следует отметить, что качество кубитов D-Wave уже ставилось под сомнение. IBM за последние пару лет не произвела такого же фурора, как Google и D-Wave, но и их пока не следует сбрасывать со счетов, особенно учитывая их трек. запись медленных и устойчивых достижений.

Проще говоря, гонка за самый мощный в мире квантовый компьютер открыта как никогда.

Смогут ли квантовые вычисления заменить традиционные вычисления?

Короткий ответ на этот вопрос: «На самом деле нет», по крайней мере, в ближайшем будущем. Квантовые компьютеры требуют огромного количества оборудования и точно настроенной среды для работы. Ведущая архитектура требует охлаждения до температуры всего лишь до уровня выше абсолютного нуля, а это означает, что обычные потребители никогда не смогут владеть ими.

Но, как показал бурный рост облачных вычислений, вам не обязательно иметь специализированный компьютер, чтобы использовать его возможности. Как упоминалось выше, IBM уже предлагает смелым технофилам возможность запускать программы на небольшом подмножестве своих компьютеров. Кубиты Q System One. Со временем IBM и ее конкуренты, вероятно, будут продавать вычислительное время на более надежных квантовых компьютерах тем, кто заинтересован в их применении для решения непостижимых в противном случае проблем.

Но если вы не исследуете исключительно сложные проблемы, которые призваны решать квантовые компьютеры, вы, вероятно, не будете с ними много взаимодействовать. На самом деле, квантовые компьютеры в некоторых случаях хуже справляются с задачами, для которых мы используем компьютеры каждый день, просто потому, что квантовые компьютеры слишком узкоспециализированы. Если вы не академик, занимающийся моделированием, в котором процветают квантовые вычисления, вы, скорее всего, никогда не получите его в руки, и вам это никогда не понадобится.

Рекомендации редакции

• Что такое GDDR7? Все, что вам нужно знать о видеопамяти нового поколения
• Intel считает, что вашему следующему процессору понадобится процессор искусственного интеллекта — вот почему
• Surface Pro 10: чего ожидать от следующего поколения
• ChatGPT только что подключился к Интернету. Что будет дальше?
• Хорош ли Apple Mac Mini M2? Вот что говорят отзывы