Квантовые компьютеры время от времени появляются как объекты интереса и беспокойства – интереса, потому что они предлагают такое огромное увеличение вычислительной мощности и беспокойства, потому что они могут просто сломать всю нашу текущую криптографию. Однако это уже не вопрос «если», а вопрос «когда». Первая работающая модель появилась в 1998 году, но за последние несколько лет мощность значительно возросла. Если хотите, вы можете даже получить доступ к одной из квантовых машин IBM через Интернет прямо сейчас.
Подвох? Квантовые компьютеры пока не очень полезны. В настоящее время для их функционирования требуется высококачественное научное оборудование, их строительство и обслуживание дороги, и они хороши только для конкретных задач. Суть в том, что квантовые компьютеры почти готовы стать удивительными научными машинами, но они никогда не смогут ускорить доставку изображений кошек с интернет-серверов в ваши глаза.
«Еще в 1940-х годах исследователи только открывали, как использовать электронные лампы в качестве простых переключателей. … Эти переключатели затем могли бы образовать логические элементы, которые можно было бы соединить вместе, чтобы сформировать первые логические схемы. Вот где мы сейчас находимся с квантовыми процессорами. Мы проверили, что все компоненты работают. Следующим шагом будет разработка самой маленькой, но самой интересной схемы». – Юнгсан Ким, Университет Дьюка
Слишком долго, не читал
Квантовые компьютеры сложны, поэтому, если вы просто хотите понять идею, не вдаваясь в детали, это для вас.
- Обычные процессоры состоят из множества мелких частей, которые можно «перевернуть» в положение 0 или 1.
- Суперпозиция: сценарий «кота Шрёдингера»: что-то может существовать в нескольких состояниях, пока оно не будет замечено. Для квантовых компьютеров это означает, что они могут хранить 0 и 1 одновременно, пока не потребуется одно или другое значение.
- Квантовая запутанность: свойство, которое позволяет квантовым частицам общаться друг с другом — даже на расстоянии многих миль любые изменения, внесенные в одну частицу, также повлияют на другую. Это позволяет квантовым компьютерам комбинировать «суперпозиционированные» чипы для экспоненциального увеличения скорости и объема памяти. Два байта могут хранить только одно из следующих значений: 0–0, 0–1, 1–0 или 1–1. Все это можно хранить в двух кубитах.
- Кубиты. Обычные компьютеры используют биты и байты; квантовые компьютеры испо
Contents
Слишком долго, не читал
рые существуют на плоскости между 0 и 1, и их все пытаются запутать и наклеить на фишки. - Квантовые компьютеры не очень полезны для повседневных вычислений, но они будут безумно хороши в некоторых очень сложных вещах.
Обычные процессоры
Обычные процессоры, такие как чипы Intel или AMD в вашем компьютере, по сути представляют собой калькуляторы, которые следуют логическим путям– они получают некоторые данные и набор инструкций, говорящих им, что делать (математические операции, например сложение /умножение; логика, например И/НЕ). Они выполняют операцию и отправляют результат для сохранения где-то еще. Все очень просто: поступает ввод/число, а выходит вывод; если это кажется абстрактным, просто представьте себе черный ящик, который собирает инструкции и материалы и выплевывает продукт. Если у вас процессор с частотой 2,4 ГГц, ваш компьютер выполняет около 2,4 миллиарда таких операций в секунду. Чем больше чисел вы можете выдать процессору в секунду, тем быстрее будут выполняться ваши программы.
На аппаратном уровне процессоры состоят из миллионов или даже миллиардов транзисторов, которые, по сути, представляют собой крошечные переключатели, которые постоянно переключаются (они не двигаются, а просто меняют состояние своего электрического заряда), чтобы представить одно из двух состояний. : 0 или 1. Они организованы в логические элементы, кэши и другие причудливые вещи на кристалле, но единственное, что нам нужно знать, это то, что транзисторы имеют только два возможных состояния: они всегда установлены в 0 или 1, что позволяет за раз необходимо выполнить один расчет.
Подводя итог: обычные процессоры очень быстро выполняют миллиарды очень простых операций, используя миллионы/миллиарды транзисторов, расположенных по определенным шаблонам и имеющих значения 0 или 1, в зависимости от инструкций.
Кот Шрёдингера и суперпозиция
Вместо того чтобы сразу углубляться в детали, лучше начать с довольно необычной физики. (Не волнуйтесь, здесь нет математики.)
Кот Шредингера — один из самых известных примеров квантовой физики, связанный с идеей «суперпозиции». Все довольно просто: у ученого есть коробка, внутри которой находится кот. Вероятность смерти кошки составляет 50%. (При создании этой иллюстрации ни одна кошка не пострадала.) Ученый не открывал коробку, поэтому не знает,
Обычные процессоры
объективной точки зрения кот должен быть либо мертв, либо жив, но с точки зрения квантовой физики верно и то, и другое, по крайней мере, пока ящик не открыт. Почему? Потому что (по крайней мере, для наших целей; существует много разных способов подойти к этому) процессор ученого (его мозг) не знает, каков будет ответ, за исключением того, что это можетбыть либо живой или мертвый кот. Теоретически учёный подготовился к обеим возможностям, поэтому, когда он открывает коробку, его мозг получает входные данные (кот жив!) и выдаёт заранее рассчитанный результат (предположительно облегчение).«Вселенная не только страннее, чем мы думаем, она страннее, чем мы можем себе представить». – Вернер Гейзенберг
Это суперпозиция: идея о том, что что-то существует в нескольких состояниях, пока оно не будет замечено, измерено или на него не воздействуют иным образом. Как это применимо к квантовым компьютерам? Просто замените мозг ученого процессором (образно): он уже знает различные возможности (инструкция может быть либо для 0, либо для 1) и сохраняет все возможности одновременно. Однако когда дело доходит до вывода, он выводит 0 или 1, как обычный процессор. Все возможности могут существовать одновременно, но может возникнуть только один результат. Использование всего двух чисел не особенно полезно, но как только вы масштабируете это до такой степени, что квантовые компьютеры могут рассчитывать миллиарды возможностей одновременно, потенциал начинает становиться очевидным.
В качестве аналогии представьте, что вы подбрасываете монету в воздух. Во время полета он постоянно вращается между орлом и решкой, фактически являясь орлом, решкой, а также орлом и решкой. Это то, что делает процессор квантового компьютера, и именно поэтому он может мгновенно рассчитать практически любой возможный результат.
Квантовая запутанность
Здесь все становится по-настоящему интересно. Оказывается, квантовые частицы могут существовать парами и что каждый член пары является зеркальным отражением другого. Это «квантовая запутанность». Если что-то случится с Частицей 1, в Частице 2 произойдет противоположное изменение. Эйнштейн назвал это « жуткое действие на расстоянии » из-за того, насколько странным является это свойство. Военные исследователи даже экспериментируют с использованием его вместо радара: просто запустите половину запутанной пары в небо и посмотрите, что произойдет с ее партнером здесь, чтобы выяснить, не попала ли она в самолет.
«Если квантовая механика вас не глубоко потрясла, значит, вы ее еще не поняли». – Нильс Бор
Это немного сложно понять, поэтому достаточно сказать, что квантовые компьютеры могут использовать запутанность для соединения нескольких
Кот Шрёдингера и суперпозиция
, чтобы экспоненциально увеличивать уровень сложности. Компьютер может посмотреть состояние одного кубита, а затем выяснить, что делают все остальные, потому что они запутаны.Кубиты
И здесь на помощь приходит аппаратное обеспечение. Кубиты, как и обычные компьютерные биты и байты, являются основной единицей хранения квантовой информации. Большая разница в том, что каждый кубит существует в некотором смысле как 0 и 1 одновременно можно воспроизвести на компьютерных чипах разными способами: от переохлажденных сверхпроводников до лазеров. Однако конечная цель та же: заставить какую-то частицу существовать в том странном квантовом состоянии, где она представляет собой две вещи одновременно. Например, крошечная полоска переохлажденного металла может отбрасывать электроны с очень небольшим сопротивлением, создавая потенциал для любого состояния, а не удерживая кубит в одном состоянии.
Хороший следующий шаг — запутать кубиты, что по сути означает, что вам нужно синхронизировать их все до одной и той же частоты, чтобы они могли работать вместе. Это делает квантовые компьютеры намного более мощными, поскольку запутанность кубитов позволяет заставить целый чип работать вместе. Сам по себе кубит впечатляет, но он не делает ничего особенного. Однако когда он запутан с другим кубитом, он может хранить все возможные значения обоих кубитов вместе взятых. : 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, с возможностями 2^2. Если вы запутаете три кубита, у вас теперь будет 2^3 возможностей (8). Чип мирового рекорда по состоянию на июнь 2018 года имеет 72 кубита, которые теоретически могут выполнить за секунду столько же вычислений, сколько персональный компьютер может выполнить за неделю.
Чтобы сделать это немного проще: если вы сравните два обычных бита с двумя кубитами, наиболее заметная разница состоит в том, что два бита могут быть только 0-0, 0-1, 1-0 или 1-1 — только один комбинация двоичных результатов. Однако два кубита могут хранить все четыре из них одновременно, и, поскольку они растут экспоненциально, несколько кубитов могут хранить гораздо больше, чем несколько битов. 3 запутанных кубита могут быть 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0 и 0-. 1-0, одновременно – продолжайте увеличивать мощность по одному, и в итоге вы получите компьютер, способный хранить очень сложные возможности.
Скоро (по некоторым конкретным вопросам)
Итак, это квантовый компьютер: машина, которая знает все ответы, но выдает только тот, который соответствует вопросу. Это умопомрачительная машина, но она уже построена и становится больше и лучше так быстро, что за ней трудно угнаться. Вы можете задаться вопросом, когда же в вашем компьютере появится крошечная субарктическая морозильная камера, наполненная жуткой наукой, и ответ, к сожалению, не скоро. Это не значит, что этого никогда не произойдет, но сейчас он может функционировать практически только в лаборатории, и ваш пятилетний ноутбук, вероятно, сможет превзойти квантовый компьютер по большинству вещей. Однако квантовые компьютеры будут оченьхороши в некоторых вещах, например:
- Взлом шифрования: вам не обязательно владеть биткойнами, чтобы беспокоиться о взломе шифрования. Именно это не позволяет почти всему, что есть в Интернете, быть доступным для чтения всем, кто хочет зайти и посмотреть. Ваш Wi-Fi? Зашифровано. Кредитная карта? Зашифровано. Взлом шифрования RSA считается невозможным на обычных компьютерах, но это только потому, что они не могут угадать достаточно быстро. Квантовые компьютеры потрясающеумеют догадыва
Квантовая запутанность
танность, похоже, может предоставить новый способ шифрования вещей. - Поиск огромных объемов данных : Квантовые компьютеры могут просматривать данные, хранить все ответы и немедленно отвечать на ваш вопрос. Предположим, у вас есть случайный список чисел, и вы знаете, что где-то в нем встречается число 193 201. Обычному компьютеру приходится перебирать все числа, чтобы найти его, но квантовый компьютер знал, где оно находится, еще до того, как вы спросили.
- Моделирование чрезвычайно сложных сценариев : Химические структуры, физические проблемы, прогнозирование погоды, чрезвычайно сложные системы с множеством возможных результатов — вот где квантовые вычисления проявляют себя блестяще. Поскольку он может существовать в очень многих возможных состояниях одновременно, он может воспроизводить реальную сложность наполненного переменными мира природы (который сам находится в квантовом состоянии)
«Менее чем через десять лет квантовые компьютеры начнут превосходить обычные компьютеры, что приведет к прорывам в области искусственного интеллекта, открытию новых фармацевтических препаратов и многому другому. Очень быстрая вычислительная мощность, обеспечиваемая квантовыми компьютерами, может разрушить традиционный бизнес и бросить вызов нашей кибербезопасности. Компании должны быть готовы к квантовому будущему, потому что оно приближается». – Джереми О’Брайен, Бристольский университет
Квантовые компьютеры в том виде, в котором они существуют в настоящее время, выглядят так, как будто они будут в основном машинами для решения проблем, оптимизации цепочек поставок, обеспечения работы искусственного интеллекта, прогнозирования погоды, игры на фондовом рынке и т. д. IBM, Intel, D-Wave, Google, и другие компании уже производят версии этих машин и исследуют способы сделать их более практичными и удобными в использовании.
Однако одним из существенных препятствий является то, что, по
Кубиты
построены на вычислении большого количества возможностей, квантовые компьютеры иногда ошибаются. Исследователи работают над решением этой проблемы, но это еще одна причина, по которой квантовый компьютер, вероятно, не заменит ваш гораздо более механический (и, следовательно, точный) процессор.Вывод: путаница, но это нормально
«Это та часть Microsoft, где они выставляют слайды, которые я действительно не понимаю. Я знаю много физики и много математики. Но единственное место, где они выставили слайды и это иероглифы, оно квантовое». – Билл Гейтс
Утешайтесь следующим: большинство людей понятия не имеют, как работает устройство их компьютера, и даже те, у кого есть представление, вероятно, не понимают всего в этом. Самое лучшее в нашей специализации — это то, что вам не обязательно иметь представление о том, как работает ваш процессор, чтобы делать с его помощью удивительные вещи, и то же самое относится и к квантовым компьютерам. Ключевое отличие состоит в том, что, хотя ваш Intel i7 довольно удобен, изучение его, вероятно, не заставит вас усомниться в самой природе реальности.
