Как работает квантовый компьютер

Что такое квантовый компьютер

В 1994 году интерес к квантовым вычислениям резко возрос, когда математик Питер Шор разработал квантовый алгоритм, который мог эффективно находить простые множители больших чисел.

Кубиты создаются с использованием физических систем, таких как спин электрона или спин фотона. Эти системы могут находиться во множестве различных расположений одновременно — свойство, известное как квантовая суперпозиция. Кубиты также могут быть неразрывно связаны друг с другом с помощью явления квантовой запутанности. Серия кубитов может представлять разные вещи одновременно.

Например, восьми бит достаточно для классического компьютера, чтобы представить любое число от 0 до 255. Но восьми кубитов достаточно для того, чтобы квантовый компьютер представлял каждое число от 0 до 255 одновременно. Нескольких сотен запутанных кубитов было бы достаточно, чтобы представить больше чисел, чем атомов во Вселенной.

Это позволяет выполнять множество вычислений одновременно, ускоряя решение проблемы процесс. Чем больше количество кубитов, тем быстрее вычислительная мощность. Каждый дополнительный кубит удваивает скорость вычисления. Один из примеров того, как быстро квантовые компьютеры обрабатывают информацию: в 2021 году исследователи из компании по квантовым вычислениям D-wave решили проблему в три миллиона раз быстрее, чем традиционный компьютер.

Как устроен квантовый компьютер

Квантовые компьютеры используют множество алгоритмов для измерений и наблюдений. Эти алгоритмы вводятся пользователем, затем компьютер создает многомерное пространство, в котором размещаются шаблоны и отдельные точки данных. Например, если пользователь хочет решить проблему сворачивания белка, чтобы найти наименьшее количество энергии для использования, квантовый компьютер будет измерять комбинации сворачиваний; эта комбинация является решением проблемы.

Квантовый компьютер может выглядеть по-разному. Технологические компании IBM, Microsoft и Intel разработали квантовые симуляторы и процессоры, доступ к которым можно получить купив. На рынке также существует множество наборов инструментов quantum с открытым исходным кодом, доступ к которым можно получить онлайн, например, через GitHub.

Устройство квантового компьютера:

1. Традиционный компьютер и инфраструктура, которая выполняет программирование и отправляет инструкции кубитам.
2. Метод передачи сигналов от компьютера к кубитам.
3. Блок хранения для кубитов. Он стабилизирует кубиты удовлетворяет определенные потребности или предписания. По температуре блок может быть близким к нулю градусов.

Принцип работы

Две концепции из квантовой физики:

1. Квантовая суперпозиция.
2. Измерение в квантовой механике.

Измерение в квантовой механике. Нельзя измерить две несовместимые вещи: положение и скорость молекулы. Измерение квантового состояния объекта может необратимо изменить состояние объекта.

Еще одним свойством, имеющим решающее значение того, как работают квантовые вычисления, является запутанность. Это загадочная особенность квантовой механики, которая в свое время ставила в тупик Эйнштейна, объявившего ее «жутким действием на расстоянии».

Во время запутывания измерения одного кубита могут быть использованы для получения выводов о других единицах. Запутанность помогает квантовым компьютерам решать более масштабные задачи и вычислять большие объемы данных и информации.

Зачем нужен квантовый компьютер

Квантовые компьютеры нужны для решения сложных задач, которые нельзя решить с помощью обычного компьютера. Первая проблема — это оптимизация, которая возникает, когда надо найти наилучшее решение из множества возможных ответов. Чем больше возможностей, тем сложнее найти наиболее оптимальное решение проблемы, что идеально подходит для квантовых компьютеров.

Вторая проблема — это симуляция, когда нужно понять, как что-то работает без физического доступа к нему, и мы имитируем реальность. Это особенно полезно для сложных цифровых двойников. Так можно смоделировать, например, сложное поведение Земли с помощью цифрового двойника или проанализировать погодные условия.

Квантовые компьютеры — это новый рубеж в обработке данных. Они смогут решить неразрешимые в настоящее время проблемы и добиться значительных успехов в исследованиях во многих областях. В будущем мы увидим квантовые компьютеры, используемые в медицине, геномике, химии, физике и многих других областях. Однако они также могут оказать пагубное воздействие на общество, поскольку достаточно мощный квантовый компьютер сможет взломать все существующие методы шифрования данных, вот почему необходимо придумать постквантовое шифрование быстрее.

Чем отличается от обычного

Квантовые вычисления — это новая и развивающаяся область в мире технологий. Она расширяет возможности классических вычислений, но с другим подходом к решению задач.

1. Стандартные компьютеры программируются с использованием битов в качестве единиц данных, каждый бит способен хранить либо 0, либо 1. Но ограничения этих компьютеров выходят на первый план, когда перед ними ставится задача с несколькими переменными. В таких случаях компьютеру приходится выполнять новое вычисление каждый раз, когда вносится изменение в переменную. Каждое вычисление — это уникальный путь, ведущий к уникальному результату.
2. Квантовые компьютеры, с другой стороны, основаны на концепциях, изложенных выше. В соответствии с законами квантовой механики квантовые компьютеры используют кубиты, которые представляют комбинацию 0 и 1 одновременно, следуя принципу суперпозиции. Каждый кубит существует в нескольких состояниях 0 или 1 одновременно. Квантовые компьютеры используют запутанность между кубитами и вероятностями, относящимися к суперпозициям, для выполнения серии операций таким образом, что определенные вероятности увеличиваются (для правильных ответов), а другие уменьшаются или даже сводятся к нулю (для неправильных ответов).

Плюсы и минусы

Будущее квантовых вычислений выглядит радужным, но у него есть свои преимущества и недостатки. Сейчас много говорят о потенциале квантовых вычислений и их способности произвести революцию в различных отраслях.

Преимущества квантового компьютера

1. Увеличенная вычислительная мощность. Они используют кубиты, которые могут одновременно находиться в комбинации состояний 0 и 1, что обеспечивает гораздо большую скорость обработки данных, чем это было возможно ранее. Это дает организациям доступ к мощным компьютерным ресурсам, способным быстро и эффективно решать сложные проблемы.
2. Улучшенные функции безопасности. Квантовые компьютеры полагаются на сложные алгоритмы и математические вычисления, которые невероятно затрудняют несанкционированным сторонам получение доступа к конфиденциальным данным. Например, с помощью традиционных компьютеров кому-то относительно легко расшифровать пароль, выполнив несколько вычислений, пока они не наберут правильную комбинацию; но с квантовыми компьютерами попытка расшифровать зашифрованный код становится экспоненциально сложнее, поскольку число возможных решений увеличивается экспоненциально из-за суперпозиционной природы кубитов. Это означает, что организации могут быть уверены в том, что их ценная информация остается в безопасности от злоумышленников.
3. Быстрота решения сложных задач. Благодаря своим превосходным возможностям обработки данных эти мощные машины могут быстро решать проблемы с беспрецедентной точностью, что делает их идеальными инструментами как для бизнеса, так и для ученых, стремящихся добиться новых прорывов в различных областях, таких как медицинские исследования или инициативы в области изменения климата. Они также могли бы произвести революцию в искусственном интеллекте, позволив алгоритмам искусственного интеллекта развиваться дальше быстрее и эффективнее, чем это способны делать традиционные компьютеры.

Недостатки квантового компьютера

1. Дороговизна. Материалы, используемые для их создания, могут быть дорогостоящими, и многие исследователи считают, что эти затраты, возможно, никогда не окупятся. Квантовые компьютеры требуют специальных операционных сред для поддержания их целостности,мчто еще больше увеличивают общую стоимость.
2. Сложны в программировании и управлении. Поскольку они работают на квантово-механических принципах, которые сильно отличаются от традиционных вычислительных моделей, их программирование может оказаться непростой задачей даже для опытных программистов. Управление квантовым компьютером требует специальных знаний, к которым большинство людей не имеют доступа или могут даже не понимать.
3. Могут привести к сбоям в существующих компьютерных архитектурах. Поскольку эти компьютеры обрабатывают данные способами, недоступными традиционным машинам, существующая инфраструктура может оказаться не в состоянии справиться с нагрузкой, необходимой для квантовых вычислений. Это означает, что потребуется перепроектировать целые системы, чтобы они могли работать с этими машинами.
4. Всё еще ведутся некоторые споры о том, безопасны квантовые вычисления или нет. Многие эксперты полагают, что из-за своей зависимости от запутанности и суперпозиции он может быть уязвим для атак хакеров, которые понимают, как работает технология. Это может иметь катастрофические последствия как для бизнеса, так и для государств, которые полагаются на безопасные сети и системы.

Несмотря на большие потенциальные преимущества использования квантовых вычислений в нашей жизни и отраслях промышленности, с этим также связано несколько недостатков.