В квантовом компьютере вместо битов используются кубиты. Кубиты — это квантовые частицы, обладающие интересным свойством: Помимо стандартных значений 0 и 1, кубит может находиться между нулем и единицей — это называется суперпозицией. Наиболее наглядно это можно увидеть на иллюстрации:
Что такое квантовый компьютер? Разбор
Интересно, какая сторона у монеты, когда она находится в воздухе? Что представляет собой монета, когда она лежит лицевой стороной вверх? Все это примеры бинарной системы, т.е. системы, которая имеет только два возможных состояния. Все современные процессоры основаны на этом!
При правильном расположении транзисторов и логических схем можно сделать практически все! Или не может?
Современные процессоры — это технологическое произведение искусства, за которым стоят многие десятилетия, если не сотни, лет фундаментальных исследований. И это одни из самых высокотехнологичных устройств в истории человечества! Мы уже много раз говорили о них — задумайтесь о процессе их создания!
Процессоры постоянно совершенствуются, мощность увеличивается, объемы данных растут, современные центры обработки данных обрабатывают сотни петабайт (10 в степени 15 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 байт). Но что бы вы сказали, если бы я сказал вам, что все наши компьютеры далеко не всесильны!
Например, при использовании BigData обычным компьютерам могут потребоваться годы или даже тысячи лет, чтобы обработать данные, рассчитать необходимые отклонения и выдать результаты.
Именно здесь на помощь приходят квантовые компьютеры. Но что же на самом деле представляют собой квантовые компьютеры? Чем они отличаются от обычных? Действительно ли они настолько сильны? Будет ли CS:GO работать при 100 000 FPS?
Вот краткое обновление — мы рассказываем, как каждый может попробовать квантовый компьютер уже сегодня!
Устраивайтесь поудобнее, поставьте чай, сейчас будет интересно.
Глава 1. Чем плохи обычные компьютеры?
Начнем с очень простого классического примера.
Предположим, у вас есть самый мощный суперкомпьютер в мире. Это компьютер Fugaku. Его производительность составляет 415 петафлопсов.
Предположим следующую проблему: вам нужно распределить трех человек по двум такси. Сколько вариантов выбора у нас есть? Легко видеть, что существует 8 вариантов, т.е. 2*2*2 или 2 в степени три.
Как быстро наш суперкомпьютер решит эту задачу? Немедленно! Это элементарная проблема.
Если теперь мы возьмем 25 человек и посадим их в два роскошных лимузина, то получим 2 умножить на 25, или 33 554 432 варианта. Поверьте, это число — детская забава для нашего суперкомпьютера.
Теперь 100 человек и 2 автобуса, сколько есть вариантов?
Давайте посчитаем: 2 в сотой степени — это примерно 1,27 x 1030 или 1 267 650 600 228 229 401 496 703 205 376 вариантов.
Нашему суперкомпьютеру потребуется около 4,6*10^+35 (4,6 умножить на 10 в степени 35) лет, чтобы рассмотреть все варианты. Это очень долгий срок. Такое вычисление заняло бы больше времени, чем вся жизнь сотен вселенных.
Общее время жизни нашей Вселенной: 14 миллиардов лет, то есть 14 в степени 10 в степени 9.
Даже если мы соберем все компьютеры в мире, чтобы решить, казалось бы, простую задачу, например, посадить 100 человек в два автобуса, мы никогда не найдем решения, почти никогда!
И что? И это все? Нет решения?
Да, есть, потому что квантовые компьютеры смогут решить эту проблему за считанные секунды!
И поверьте, они не понадобятся даже для того, чтобы вместить 100 человек в 2 автобуса!
Глава 2. Сравнение. Биты и Кубиты
Давайте посмотрим, в чем заключается принципиальная разница.
Мы знаем, что классический процессор состоит из транзисторов, а они могут пропускать ток или нет, то есть находиться в состоянии 1 или 0 — это и есть БИТ информации. Кстати, рекомендую вам посмотреть наше видео о том, как работают процессоры.
Вернемся к нашему примеру с двумя такси и тремя людьми. Каждый человек может находиться либо в одной, либо в другой машине — 1 или 0.
Это все государства:
Чтобы решить задачу, процессор должен рассмотреть все возможности по очереди и выбрать те, которые удовлетворяют заданным условиям.
Квантовые компьютеры также используют биты, но в квантовой форме, и принципиально отличаются от обычных транзисторов.
Их называют квантовыми битами или кубитами.
Все решения уже известны
Другой особенностью кубитов является зависимость значения от измерения. Это означает, что программист не знает значения кубита, пока он не будет измерен, и что факт измерения также влияет на значение кубита. Это звучит странно, но это свойство квантовых частиц.
Поскольку кубиты находятся во всех состояниях одновременно, пока они не измерены, компьютер немедленно перебирает все возможные решения, поскольку кубиты связаны. Оказывается, решение известно сразу после ввода всех данных. Эта суперпозиция распараллеливает вычисления, что значительно ускоряет алгоритмы.
Сложность заключается в том, что результатом работы квантового компьютера является правильный ответ с определенной вероятностью. И необходимо строить алгоритмы так, чтобы вероятность правильного ответа была как можно ближе к единице.
Как делают кубиты и в чём сложность
Чтобы сделать его как можно более простым: Чтобы сделать функциональный кубит, мы должны взять атом, максимально стабилизировать его, защитить от постороннего излучения и соединить с другим атомом через специальный квантовый интерфейс.
Чем больше таких кубитов соединено, тем менее они стабильны. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером необходимо как минимум 49 кубитов — а это очень нестабильная система.
Основная проблема — декогеренция. Это происходит, когда множество кубитов зависят друг от друга и на них может влиять все: космические лучи, радиация, колебания температуры и все другие явления окружающего мира.
Такой «фазовый шум» является катастрофой для квантового компьютера, поскольку он разрушает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер становится обычным компьютером — и при этом очень медленным.
К декогеренции можно подойти различными способами. Например, компания D-Wave, создающая квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы исключить все внешние процессы. Именно поэтому они такие большие — почти все пространство занимает защита квантового процессора.
Зачем нужны квантовые компьютеры
Одним из наиболее важных приложений для квантового компьютера в настоящее время является разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не может быстро разложить число с 30-40 цифрами (или более) на простые коэффициенты. С обычным компьютером это заняло бы миллиарды лет. Квантовый компьютер может сделать это примерно за 18 секунд.
Это означает, что больше нет секретов, потому что любой алгоритм шифрования можно мгновенно взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджерах. Может наступить интересный момент, когда обычное шифрование перестанет работать, а квантовое шифрование еще предстоит изобрести.
Квантовые компьютеры также отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, для расчета физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это может позволить быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоемкие задачи.
В настоящее время квантовые компьютеры не могут сделать все это — они слишком сложны для создания и слишком нестабильны для работы. Пока максимум, к чему может быть приспособлен квантовый компьютер, — это один алгоритм для достижения огромного прироста производительности. Именно для этого их покупают крупнейшие компании — чтобы быстрее решить одну-две важнейшие задачи.
В Yandex Workshop вы можете стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером по цифровым продуктам. Первая часть обучения всегда бесплатна, поэтому вы можете попробовать то, что вам нравится. Кроме того, существуют программы по трудоустройству.
Биты и кубиты
Принцип работы классического компьютера основан на концепции «битов». Это единица информации, которая может принимать одно из двух значений: либо 0, либо 1. Давайте объясним, как это работает, на простом примере.
Каждый компьютер оснащен транзистором — электронным компонентом, который управляет большим током с помощью малого тока. Давайте представим себе транзистор как кран в водопроводной трубе. Когда вы включаете его, вода начинает течь; когда вы выключаете его, вода перестает течь.
Только вместо воды в транзисторе есть электричество. И он полностью зависит от электричества для включения и выключения. То есть, система состоит из множества кранов, соединенных между собой таким образом, что вода из одного крана может включать или выключать воду из другого крана.
Транзисторы в компьютере расположены таким образом, что их включение и выключение позволяет производить математические расчеты.
Эти вычисления могут выполняться на высокой скорости благодаря количеству транзисторов (несколько миллиардов), приближающемуся к скорости света.
То, что обычный пользователь видит на экране персонального компьютера, является результатом таких вычислений. Конверты, фотографии, документы — все они создаются путем простого математического сложения и вычитания, т.е. путем включения и выключения этих очень маленьких скачков электричества с максимально возможной скоростью.
Транзистор — это бит. Он может быть равен 0 или 1, т.е. «выключен» или «включен». Бит — это наименьшая единица информации в классическом компьютере. Бит может находиться где угодно: в ядре процессора, в микросхеме оперативной памяти, на жестком диске. Бит — это физическое пространство, которое либо включено, либо выключено.
Состояние бита можно определить по наличию или отсутствию электрического заряда на бите. То есть у бита нет переходного состояния: он либо включен (имеет заряд), либо выключен (не имеет заряда).
Команда GeekBrains в сотрудничестве с международными экспертами по развитию карьеры подготовила материалы, которые помогут вам найти работу своей мечты.
В подборку вошли только самые востребованные и высокооплачиваемые карьеры и области в ИТ-секторе. 86% наших студентов использовали этот материал для постановки карьерной цели на ближайшее будущее!
Загрузите его и начните использовать уже сегодня:
30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий в 2022 году
чтобы помочь вам понять текущее состояние рынка труда
Сборник из более чем 50 ресурсов из сектора информационных технологий
Только лучшие Telegram-каналы, YouTube-каналы, подкасты, форумы и многое другое, чтобы узнать больше об ИТ.
50+ лучших сервисов и приложений от Geekbrains.
Безопасное и надежное программное обеспечение для работы сегодня
Квантовый компьютер использует кубиты — квантовые микрочастицы, которые могут принимать значения между 0 и 1 в дополнение к стандартным 0 и 1 — в качестве единицы измерения информации.
Почему делать кубиты сложно
Чтобы создать функционирующий кубит, необходимо поместить атом в определенное положение, полностью защитить его от воздействия внешнего излучения и соединить его с другим таким же атомом с помощью специальной квантовой связи.
Чем больше таких кубитов соединено, тем менее стабильна их функция. Для достижения «квантового превосходства» над классическим компьютером требуется 49 кубитов. А такое количество кубитов делает систему крайне нестабильной.
Основной проблемой в работе квантовых систем является декогеренция. Это термодинамический процесс нарушения когерентности (переплетения процессов и элементов), вызванный взаимодействием квантовой системы с окружающей средой.
Это означает, что любое явление в окружающей природе (будь то колебания температуры, радиация или что-либо еще) способно генерировать «фазовый шум», который заставляет кубиты принимать ограниченные значения, сглаживая превосходство над обычным пользовательским компьютером. Более того, такой квантовый компьютер будет гораздо менее производительным и очень медленным.
Решение этой проблемы было предложено компанией D-Wave, которая разработала систему охлаждения компьютера, снижающую температуру атомов практически до нуля для устранения негативного влияния внешних факторов.
Зачем нужны квантовые компьютеры
Моделирование сложных физических систем
Первым, кто заговорил о создании квантового компьютера в 1980-х годах, был Ричард Фейнман, американский ученый и физик, один из основателей квантовой электродинамики. Его исследование было основано на идее о том, что «нравится — значит нравится». Уже тогда ученые и исследователи со всего мира нуждались не только в теоретических расчетах квантовых систем, но и в точном моделировании их поведения.
Даже сегодня обычный компьютер не может справиться с этой задачей, поскольку, как мы уже видели, квантовая микрочастица может принимать одновременно два значения (0 и 1), в то время как двухчастичная система может принимать уже четыре значения (00, 01, 10, 11) и так далее.
Например, для создания квантовой системы, состоящей из десяти электронов, необходимо использовать 1024 одновременно работающих процессора. Следует помнить, что изменение состояния одного электрона оказывает немедленное влияние на состояния всех остальных электронов (т.е. вероятность одних комбинаций увеличивается, а других уменьшается). Классический процессор не может решить эту проблему, потому что он не может одновременно изменить состояние двух битов, а только одного.
Сегодня ученые и инженеры еще не достигли выдающихся результатов в области моделирования сложных физических систем. Но если такой квантовый компьютер когда-нибудь будет создан, он превзойдет самые мощные современные компьютеры.
Квантовая криптография
Первый успешно функционирующий алгоритм для квантового компьютера был разработан в 1994 году американским ученым Питером Шором. Алгоритм был основан на способности разлагать числа на простые коэффициенты. В 2001 году компания IBM представила миру программу, способную выполнять такие вычисления.
Подобное развитие событий делает нынешнюю систему безопасности и конфиденциальности данных совершенно бесполезной. Криптографический алгоритм, наиболее часто используемый сегодня для защиты данных (алгоритм RSA), основан на том, что простой компьютер не может разложить число на простые кратные за короткое время.
Умножить 3 на 4 не так уж сложно, но как насчет умножения числа с тысячей цифр на другое число с несколькими тысячами цифр? Обычный компьютер не может перемножить результат такого умножения, который является ключом к зашифрованным данным, с помощью простых множителей. Квантовый компьютер может легко решить такую задачу за несколько секунд.
Задача поиска
Это квантовый компьютер, который достиг огромного прогресса в поисковой работе. Ровно 10 лет назад 128-ключевой квантовый компьютер, разработанный компанией D-Wave, решил задачу определения трехмерной структуры белка по одной сотой известной последовательности аминокислот. Незадолго до этого корпорации D-Wave даже удалось наладить сотрудничество с НАСА.
Целью эксперимента было определить путь автомобиля из одной точки в другую. Результаты этого эксперимента пока точно не известны, но план по созданию лаборатории искусственного квантового интеллекта был реализован вскоре после его завершения такими гигантами, как Google, NASA и D-Wave.
Чем квантовый компьютер превосходит обычный?
Принцип суперпозиции, согласно которому базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать гораздо больше данных одновременно, чем любому другому. В то же время они могут одновременно обрабатывать большие объемы данных, используя концепцию, известную как квантовый параллелизм. Поскольку квантовые системы способны вычислять и анализировать различные состояния данных одновременно, они могут выдавать результаты с очень высокой скоростью.
Благодаря принципу суперпозиции, согласно которому базовая единица информации может существовать в нескольких состояниях одновременно, квантовый компьютер может хранить и обрабатывать гораздо больше данных одновременно, чем любой другой.
Внутренняя часть квантового компьютера (Фото: IBM)
Квантовые системы могут быть использованы для решения задачи о поиске кратчайшего маршрута между несколькими городами до возвращения домой. Решение этой проблемы позволило бы создать более умную навигацию и маршрутизацию по всему миру, что сделало бы перевозку людей и товаров дешевле и проще. Подобные исследования уже проводятся компанией Volkswagen совместно с D-Wave и Google.
Квантовый компьютер может обрабатывать огромные объемы экономических, фармацевтических или климатических данных для поиска оптимальных решений проблем в этих отраслях.
Наконец, квантовые системы способны находить новые методы шифрования и взламывать даже самые сложные шифры.
IBM Quantum уже работает с клиентами над решением таких проблем. Она помогает разрабатывать новое поколение электромобилей с технологией квантовых батарей совместно с Daimler, сокращать выбросы углекислого газа благодаря открытию экологически чистых материалов совместно с ExxonMobil и искать истоки Вселенной совместно с CERN. А компания Google использовала Sycamore для точного моделирования химической реакции.
Квантовые компьютеры — для «чайников»
Мы объясняем лампочкам и котикам, что такое квантовый компьютер.
Egor Nashilov
Осенью прошлого года компания Google заявила о достижении квантового превосходства. Звучит как нечто сложное и малополезное для рядового пользователя? Не совсем. Суть новости заключается в том, что сотрудники Google смогли использовать специальный квантовый компьютер для решения задачи, которую даже очень хороший суперкомпьютер не смог бы решить за разумное время. Впечатляет, не правда ли?
И это связано с безопасностью ваших данных, поскольку многие защитные механизмы в цифровом мире основаны на том, что их невозможно преодолеть за разумный промежуток времени. Давайте узнаем, что такое квантовый компьютер и стоит ли киберпреступникам опасаться его использования для хакерских атак.
Что такое квантовый компьютер
Главное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных компьютеров, которыми мы пользуемся сегодня, заключается в способе обработки данных. Известные устройства, от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера Deep Blue, хранят все в битах — так называется наименьшая единица информации, которая может принимать только два значения: либо ноль, либо единица.
Бит можно сравнить с лампочкой, которая либо включена (единица), либо выключена (ноль). Для компьютера файл на жестком диске — это как ряд лампочек, некоторые из которых включены, а некоторые выключены. Если взять много таких лампочек, включить некоторые из них, а некоторые выключить, то можно составить предложение типа «Здесь был Альберт» или «Мона Лиза».
Но когда устройство решает задачу, оно включает и выключает лампочки и постоянно записывает и удаляет результаты промежуточных вычислений, чтобы память не засорялась. Это требует времени, и если задача очень сложная, компьютеру нужно много времени на размышления.
В отличие от своих старших братьев, квантовые компьютеры хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов (кубитов). Последние могут быть не только «включены» и «выключены», но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочкой: Кубит — это как лампочка, которую вы выключаете, а она продолжает мигать. Или кот Шредингера, который жив и мертв одновременно.
Поскольку лампочки в квантовом компьютере включаются и выключаются одновременно, экономится много времени. Поэтому он решает сложные задачи гораздо быстрее, чем даже очень мощное классическое устройство. Google, например, утверждает, что квантовая машина Sycamore чуть более чем за три минуты выполнила вычисления, на которые обычному суперкомпьютеру теоретически потребовалось бы 10 000 лет! Это обозначается серьезным термином «квантовое превосходство».
Квантовые компьютеры в жизни
Таким образом, квантовые компьютеры способны решать очень сложные задачи очень быстро. Но тогда почему они просто не заменили медленные классические системы? Дело в том, что технология еще молода и состояние «мигающей лампочки» очень нестабильно, и чем больше кубитов в системе, тем сложнее ее поддерживать. И доступность сложных вычислений также зависит от количества кубитов: вы не сможете нарисовать Мону Лизу двумя лампочками, даже если они очень красивые.
Есть и другие проблемы, которые не позволяют квантовым компьютерам полностью заменить своих предшественников. Помните, что они обрабатывают информацию принципиально по-разному? Это означает, что программы для них должны быть совершенно разными. Квантовый компьютер не может просто установить Windows — специальная квантовая операционная система и специальные квантовые приложения должны быть разработаны с нуля.
Хотя ученые и компьютерные гиганты прилагают такие усилия, квантовые компьютеры пока функционируют как внешние жесткие диски, подключенные к обычным компьютерам и управляемые ими. Они используются для узкого круга задач, таких как моделирование атома водорода или поиск в базах данных. Но вы не можете использовать квантовый компьютер для доступа в Интернет или просмотра видео с котиками.
Тем не менее, многие считают квантовые вычисления перспективными. Первая компания, продавшая квантовые компьютеры предприятиям, появилась в 1999 году, а сейчас в эту сферу инвестируют такие крупные компании, как американские Google, Honeywell и IBM (последняя уже предлагает своим клиентам доступ к своему квантовому компьютеру через облако), японская компания Toshiba и китайские компании Alibaba и Baidu. В 2019 году российские власти также заинтересованы в квантовых технологиях.
Однако стоит отметить, что задача, решенная Google, не имеет практического применения, кроме демонстрации потенциала квантовых технологий. Мы не будем вдаваться в тонкости, потому что это действительно сложно и не является необходимым для обычного пользователя. Но если вы хотите убедиться в этом сами, вы можете найти описание работы в отчете Google.
И не все согласны с утверждением Google о 10 000 лет. Компания IBM, например, уверена, что суперкомпьютер может решить ту же задачу, хотя и не за три минуты, а чуть более чем за два дня. Хотя в целом это тоже заметная разница.
