Що таке квантові обчислення? Пояснення наступної ери комп’ютерної еволюції

Коли ви вперше натрапите на термін «квантовий комп’ютер», ви можете видати його за якусь далеку науково-фантастичну концепцію, а не за серйозну поточну новину.

Але з огляду на те, що ця фраза лунає все частіше, цілком зрозуміло задаватися питанням, що таке квантові комп’ютери, і так само зрозуміло не знати, куди пірнути. Ось короткий виклад того, що таке квантові комп’ютери, чому навколо них так багато галасу та що вони можуть означати для вас.

Що таке квантове обчислення і як воно працює?

Усі обчислення ґрунтуються на бітах, найменшій одиниці інформації, яка кодується у стані «увімкнено» або «вимкнено», що частіше називають 1 або 0, у тому чи іншому фізичному носії.

У більшості випадків біт приймає фізичну форму електричного сигналу, що проходить по ланцюгах материнської плати комп’ютера. З’єднуючи декілька бітів разом, ми можемо представити більш складні та корисні речі, такі як текст, музика тощо.

Дві ключові відмінності між квантовими бітами та «класичними» бітами (від комп’ютерів, які ми використовуємо сьогодні) полягають у фізичній формі, яку приймають біти, і, відповідно, характері даних, закодованих у них. Електричні біти класичного комп’ютера можуть одночасно існувати лише в одному стані, або 1, або 0.

Квантові біти (або «кубіти») складаються з субатомних частинок, а саме окремі фотони або електрони. Оскільки ці субатомні частинки більше відповідають правилам квантової механіки, ніж класичної механіки, вони виявляють химерні властивості квантових частинок. Найбільш помітною з цих властивостей для комп’ютерників є суперпозиція. Це ідея про те, що частинка може існувати в кількох станах одночасно, принаймні до тих пір, поки цей стан не буде виміряний і не перейде в єдиний стан. Використовуючи цю властивість суперпозиції, інформатики можуть змусити кубіти кодувати 1 і 0 одночасно.

Інша квантово-механічна примха, яка змушує квантові комп’ютери працювати, — це заплутаність, з’єднання двох квантових частинок або, в даному випадку, двох кубітів. Коли дві частинки заплутані, зміна стану однієї частинки змінить стан її партнера в передбачуваний спосіб, який стане в нагоді, коли прийде час отримати квантовий комп’ютер для обчислення відповіді на проблему ви годуєте його.

Кубіти квантового комп’ютера починають перебувати в гібридному стані 1 і 0, коли комп’ютер спочатку починає вирішувати проблему. Коли рішення знайдено, кубіти в суперпозиції згортаються до правильної орієнтації стабільних 1 і 0 для повернення рішення.

Яка користь від квантових обчислень?

Окрім того факту, що вони далеко поза межами досяжності для всіх, крім найелітніших дослідницьких груп (і, ймовірно, залишатимуться такими ще деякий час), більшість із нас не дуже користуються квантовими комп’ютерами. Вони не пропонують жодних реальних переваг перед класичними комп’ютерами для тих завдань, які ми виконуємо більшість часу.

Однак навіть найпотужнішим класичним суперкомп’ютерам важко вирішити певні проблеми через притаманну їм обчислювальну складність. Це пояснюється тим, що деякі обчислення можна виконати лише грубою силою, вгадуючи, доки відповідь не буде знайдено. У підсумку вони знаходять так багато можливих рішень, що знадобляться тисячі років, щоб усі суперкомп’ютери світу разом знайшли правильне.

Властивість суперпозиції, яку демонструють кубіти, може дозволити суперкомп’ютерам стрімко скоротити цей час вгадування. Трудомісткі обчислення методом проб і помилок у класичних обчисленнях можуть робити лише одне припущення за раз, у той час як подвійний стан 1 і 0 кубітів квантового комп’ютера дозволяє робити кілька припущень одночасно час.

Отже, які проблеми вимагають усіх цих трудомістких обчислень? Одним із прикладів є моделювання атомних структур, особливо коли вони хімічно взаємодіють із структурами інших атомів. Завдяки квантовому комп’ютеру, який забезпечує атомне моделювання, дослідники в галузі матеріалознавства можуть створювати нові сполуки для використання в техніці та виробництві. Квантові комп’ютери добре підходять для моделювання подібних складних систем, таких як економічні ринкові сили, астрофізична динаміка або моделі генетичних мутацій в організмах, і це лише деякі з них.

Однак серед усіх цих, як правило, нешкідливих застосувань цієї нової технології, є й деякі варіанти використання квантових комп’ютерів, які викликають серйозне занепокоєння. Безперечно, найбільш часто згадувана шкода – це потенціал квантових комп’ютерів зламати деякі з найнадійніших алгоритмів шифрування, які зараз використовуються.

У руках агресивного ворога з іноземного уряду квантові комп’ютери можуть скомпрометувати широку зону захищеного Інтернет-трафіку, залишаючи конфіденційні комунікації сприйнятливими до широкого поширення спостереження. Зараз ведеться робота над вдосконаленням шифрів шифрування на основі обчислень, які все ще є складними навіть для квантових комп’ютерів, але вони не всі готові до прайм-тайму або широкого поширення наразі.

Чи можливі квантові обчислення?

Трохи більше десяти років тому фактичне виготовлення квантових комп’ютерів було лише на початковій стадії. Однак, починаючи з 2010-х років, розробка функціонуючих прототипів квантових комп’ютерів пішла вгору. Кілька років тому кілька компаній зібрали робочі квантові комп’ютери, а IBM зайшла настільки далеко, що дозволила дослідникам і любителям запускати власні програми на ньому через хмару.

Незважаючи на успіхи, які такі компанії, як IBM, безсумнівно, зробили для створення функціонуючих прототипів, квантові комп’ютери все ще знаходяться в зародковому стані. Наразі квантові комп’ютери, створені дослідницькими групами, вимагають великих накладних витрат для виконання виправлення помилок. На кожен кубіт, який фактично виконує обчислення, є кілька десятків, чия робота полягає в тому, щоб компенсувати помилку. Сукупність усіх цих кубітів утворює так званий «логічний кубіт».

Коротше кажучи, промислові та наукові титани змусили квантові комп’ютери працювати, але роблять це дуже неефективно.

У кого є квантовий комп'ютер?

Жорстока конкуренція між дослідниками квантового комп’ютера все ще вирує, як між великими, так і малими гравцями. Серед тих, хто має робочі квантові комп’ютери, є традиційно домінуючі технологічні компанії: IBM, Intel, Microsoft і Google.

Яким би вимогливим і дорогим не було створення квантового комп’ютера, існує напрочуд багато менших компаній і навіть стартапів, які впораються з цим викликом.

Порівняно худий D-Wave Systems стимулює багато досягнень у цій галузі і довів, що це не поза суперечками, відповівши на знаменне оголошення Google новиною про a величезна угода з Національною лабораторією Лос-Аламоса. Тим не менш, менші конкуренти, такі як Rigetti Computing, також беруть участь у боротьбі зарекомендували себе як новаторів квантових обчислень.

Залежно від того, кого ви запитаєте, ви отримаєте іншого лідера «найпотужнішого» квантового комп’ютера. Google, безумовно, нещодавно висловив свою позицію досягнення квантової переваги, показник, який більш-менш розробив сам Google. Квантова перевага — це момент, коли квантовий комп’ютер вперше може перевершити класичний комп’ютер у деяких обчисленнях. Прототип Google Sycamore оснащений 54 кубітами, зміг подолати цей бар’єр, пройшовши проблему трохи менше три з половиною хвилини, для роботи найпотужнішого класичного суперкомп’ютера знадобилося б 10 000 років через.

Щоб не відступити, D-Wave може похвалитися тим, що пристрої, які вона незабаром постачатиме в Лос-Аламос, важать 5000 кубітів за штуку, хоча слід зазначити, що якість кубітів D-Wave раніше ставилася під сумнів. За останні пару років IBM не викликала такого фурору, як Google і D-Wave, але їх також не варто рахувати, особливо враховуючи їхній шлях запис повільних і постійних досягнень.

Простіше кажучи, змагання за найпотужніший у світі квантовий комп’ютер є такими ж відкритими, як і раніше.

Чи замінять квантові обчислення традиційні?

Коротка відповідь на це питання: «не дуже», принаймні в найближчому майбутньому. Для роботи квантових комп’ютерів потрібна величезна кількість обладнання та точно налаштоване середовище. Провідна архітектура потребує охолодження лише до температури вище абсолютного нуля, що означає, що звичайні споживачі не можуть мати їх у своєму розпорядженні.

Але, як довів вибух хмарних обчислень, вам не потрібно володіти спеціальним комп’ютером, щоб використовувати його можливості. Як згадувалося вище, IBM вже пропонує сміливим технофілам можливість запускати програми на невеликій підмножині своїх Кубіти Q System One. Згодом IBM та її конкуренти, ймовірно, продадуть обчислювальний час на більш надійних квантових комп’ютерах для тих, хто зацікавлений у застосуванні їх до незбагненних проблем.

Але якщо ви не досліджуєте винятково складні проблеми, які мають на меті вирішити квантові комп’ютери, ви, ймовірно, не будете багато з ними взаємодіяти. Насправді квантові комп’ютери в деяких випадках гірше справляються з тими завданнями, для яких ми використовуємо комп’ютери щодня, лише тому, що квантові комп’ютери настільки гіперспеціалізовані. Якщо ви не науковець, який займається моделюванням, де процвітає квантове обчислення, ви, ймовірно, ніколи не отримаєте його в руки та ніколи не потребуватимете.

Рекомендації редакції

• Що таке GDDR7? Усе, що вам потрібно знати про VRAM наступного покоління
• Intel вважає, що вашому наступному процесору потрібен процесор ШІ — ось чому
• Surface Pro 10: ось чого очікувати від наступного покоління
• ChatGPT щойно підключився до Інтернету. Що буде далі?
• Чи хороший Mac Mini M2 від Apple? Ось що говорять відгуки