Оглавление
- Здравствуйте, дорогие мои читатели!
- В этой статье мы вместе найдём ответы на эти загадочные вопросы:
- Как работает квантовый компьютер?
- Что такое кубит и суперпозиция кубитов?
- Для каких задач нужен квантовый компьютер?
- Задача коммивояжёра и задача рюкзака
- Почему боятся появления квантового компьютера?
- Когда ждать массового производства квантовых компьютеров?
- Будет ли служить квантовый компьютер заменой обычному?
Если квантовая механика не шокировала Вас, значит Вы ёё не поняли
Нильс Бор
Здравствуйте, дорогие мои читатели!
Мы с Вами незаметно для себя перешагнули из индустриальной в постиндустриальную (или информационную, цифровую) эпоху. На стыке XX-XXI столетий произошла новейшая технологическая революция, которую ещё в 70-х годах предсказали футурологи. Сейчас мы наблюдаем стремительное развитие технологий.
Загадочные и никому не понятные законы квантовой физики – законы микромира – учёные хотят поставить на службу нашему с Вами макромиру. Не верится, что недавно квантовая физика была только в математических расчетах, спорах между физиками (см. статью Квантовая физика для чайников) и мысленных экспериментах (см. статью Кот Шредингера простыми словами. Суть эксперимента), а сейчас мы говорим об активном выпуске квантовых компьютеров! Одна из наиболее модных и авангардных тем физики наших дней – создание квантового компьютера, как реального прибора.
Квантовый компьютер может мгновенно решать такие задачи, на решение которых даже самый современный и мощный компьютер тратит годы. Похоже мы с Вами можем стать свидетелями ещё одной технологической революции – квантовой!
Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?». Хотите тоже узнать на них ответы?
В этой статье мы вместе найдём ответы на эти загадочные вопросы:
- Как работает квантовый компьютер?
- Что такое кубит и суперпозиция кубитов?
- Для каких задач нужен квантовый компьютер?
- Задача коммивояжёра и задача рюкзака
- Почему боятся появления квантового компьютера?
- Когда ждать массового производства квантовых компьютеров?
- Будет ли служить квантовый компьютер заменой обычному?
- Все ли операции квантовый компьютер выполняет быстрее обычного компьютера?
Как работает квантовый компьютер?
В чём отличие работы квантового компьютера от компьютеров, с которыми мы работаем?
Обычный компьютер в качестве логической единицы информации имеет бит. Биты могут принимать только 2 значения – 0 или 1. А квантовый компьютер оперирует квантовыми битами – кубитами (сокращённо). Кубиты имеют не материальную (физическую), а квантовую природу. Поэтому могут одновременно принимать значения и 0, и 1, и все значения комбинаций этих 2- х основных.
Именно благодаря квантовой природе кубита и его способности принимать одновременно несколько значений, квантовые компьютеры имеют способность решать большое количество задач параллельно, т.е. одновременно. В то время, как бит обычного компьютера перебирает все возможные значения последовательно. Таким образом, задачу, на решение которой обычному компьютеру понадобится несколько десятков лет, квантовый компьютер решит за несколько минут.
Но нам трудно представить, как один объект (кубит) может принимать множество значений одновременно? Не стоит расстраиваться — никто не может этого представить. Ведь законы нашего макромира отличаются от законов микромира. В нашем мире, если мы положили шар в одну из коробок, то в одной коробке будет шар (значение «1»), а в другой — пусто (значение «0»). Но в микро мире (представьте вместо шара — атом), атом может быть одновременно в 2-х коробках.
Выдающемуся физику Ричарду Фейнману принадлежат слова: «С уверенностью можно сказать, что никто не понимает квантовой физики». Ричард Фейнман был первым физиком, который предрёк возможность появления квантового компьютера
Итак, не стоит волноваться, после просмотра этого видео всё станет на свои места. Просто – о сложном: как работает квантовый компьютер – видео расскажет за 2 минуты:
Что такое кубит и суперпозиция кубитов?
Кубит — это квантовый разряд. Как мы уже говорили выше, кубит может быть одновременно в обоих состояниях единицы и нуля и может быть не «чистым» 1 и 0, а принимать все значения их комбинаций. Фактически количество состояний или значений кубита бесконечно. Это возможно благодаря его квантовой природе.
Кубит, будучи квантовым объектам, обладает свойством «суперпозиции», т.е. может одновременно принимать все состояния единицы и нуля и их комбинаций
В нашем материальном мире это невозможно, поэтому это так трудно представить. Давайте разберем понятие суперпозиции кубита на примере из нашего физического макромира.
Представим, что у нас есть один мяч и он спрятан в одной из 2-х коробок. Мы точно знаем, что мяч может находиться только в одной из коробок, а в другой – пусто. Но в микромире всё не так. Представим, что в коробке атом вместо мяча. В этом случае неправильно было бы предположить, что наш атом находится в одной из 2-х коробок. Согласно законов квантовой механики атом может находится в 2-х коробках одновременно – быть в суперпозиции.
Для каких задач нужен квантовый компьютер?
Исходя из свойства суперпозиции, кубит может выполнять вычисления параллельно. А бит – только последовательно. Обычный компьютер последовательно перебирает все возможные комбинации (варианты), например, состояния системы. Для точного описания состояния системы из 100 составляющих на квантовом компьютере понадобиться 100 кубит. А на обычном – триллионы триллионов бит (огромные объемы оперативной памяти).
Таким образом, квантовый компьютер нужен человечеству не для просмотра видео или общения в соц сетях :). С этим прекрасно справляется обычный компьютер.
Квантовый компьютер нужен для решения задач, где для получения правильного ответа необходимо перебрать большое количество вариантов.
Это поиск по огромным базам данных, моментальное прокладывание оптимального маршрута, подбор лекарств, создание новых материалов и множество других важных для человечества задач.
В качестве наглядных примеров можно привести 2 задачи, которые в математике называются задачами рюкзака и коммивояжёра.
Задача коммивояжёра и задача рюкзака
Задача коммивояжёра. Представьте, что Вы завтра едете в отпуск и за сегодня Вам надо сделать много дел, например: закончить отчёт на работе, купить маску и ласты, пообедать, постричься, забрать посылку с почты, заехать в книжный магазин и, наконец, собрать чемодан. Дел очень много, и Вам надо так распланировать день, чтобы посетить все места за минимум времени. Казалось бы, простая задача.
Эта задача по оптимизации перемещения по нескольким точкам в математике называется задачей коммивояжера. Поразительно, но за разумное время её невозможно решить. Если мест, немного, например, 5, то вычислить оптимальный маршрут не сложно. А если точек 15, то количество вариантов маршрутов составит 43 589 145 600. Если на оценку 1 варианта Вы потратите секунду, тогда для анализа всех вариантов Вы потратите 138 лет! Это всего для 15-ти точек маршрута!
Задача рюкзака. Вот пример еще одной такой задачи. Вы, наверняка, с ней сталкивались, когда выбирали, что наиболее ценного привезти из путешествия с учетом того, что вес багажа ограничен. Не расстраивайтесь: это нетривиальная задача. Её трудно решить не только Вам, но даже и мощному компьютеру. Как решить, что упаковать в рюкзак покупок на максимальную сумму. При этом, не превысить лимит веса? Для решения этой задачи, как и задачи коммивояжёра, не хватит человеческой жизни.
Задачи, подобные задаче коммивояжера и рюкзака, которые нельзя решить за разумное время, даже пользуясь самыми мощными компьютерами, называются NP-полными. Они очень важны в обычной жизни человека. Это задачи по оптимизации, от размещения товаров на полках склада ограниченного объема до выбора оптимальной стратегии капиталовложения.
Теперь у человечества появилась надежда, что такие задачи будут быстро решаться с помощью квантовых компьютеров.
Почему боятся появления квантового компьютера?
Большая часть криптографических технологий, например, для защиты паролей, личной переписки, финансовых транзакций, создана на том принципе, что современный компьютер не может за короткое время решить определенную задачу. Например, перемножить два числа компьютер быстро может, а вот разложить результат на простые множители ему не просто (точнее, долго).
Пример. Чтобы разложить на два множителя число из 256 цифр, самому современному компьютеру понадобилось бы несколько десятков лет. А вот квантовый компьютер по алгоритму английского математика Питера Шора эту задачу сможет решить за несколько минут.
Благодаря сложности этой задачи для обычного компьютера, Вы безопасно снимаете деньги в банкомате и оплачиваете покупки платежной картой. К ней, помимо пин-кода, привязано большое число. Оно делится на Ваш пин-код без остатка. При вводе пина, банкомат делит Ваше большое число на введенный Вами пин и проверяет ответ. Для подбора правильного числа злоумышленнику понадобилось бы время, по истечении которого во Вселенной уже не осталось бы ни планеты Земля, ни платёжной карты.
Но на радость всем криптографам квантовый компьютер в серийном варианте всё ещё не создан. Однако по запросу «квантовый компьютер новости» уже сегодня звучит ответ: «Это дело не далекого будущего». Разработки активно ведутся крупнейшими корпорациями, такими, как IBM, Intel, Google и многими другими.
Когда ждать массового производства квантовых компьютеров?
Одно дело разработать теорию кубита, а совсем другое дело воплотить в реальность. Для этой цели надо найти физическую систему с 2-мя квантовыми уровнями для использования в качестве 2-х базовых состояний кубита – единицы и нуля. Для решения этой задачи научные группы разных стран используют фотоны, ионы, электроны, ядра атомов, дефекты в кристаллах.
Основных ограничений в работе кубитов два:
- количество кубитов, которые могут работать сообща
- и время их жизни.
В 2001 году в компании IBM было выполнено тестирование 7-кубитного квантового компьютера. Квантовый компьютер IBM выполнил разложение числа 15 на простые множители по алгоритму Шора.
В 2005 году российские учёные совместно с японскими построили 2-кубитный процессор на сверхпроводящих элементах.
В 2009 году физики американского национального института стандартов и технологий создали программируемый квантовый компьютер, который состоял из 2-х кубит.
В 2012 году IBM достигла прогресса в реализации вычислений при помощи сверхпроводящих кубитов. В этом же году ученым нескольких американских университетов удалось построить 2-кубитный компьютер на кристалле алмаза.
Лидером в создании квантовых устройств является Канадская компания D-Wave System. С 2007 года D-Wave анонсирует создание таких квантовых компьютеров: 16 кубит, 28 кубит – в 2007 году, 128 кубит – в 2011 году, 512 кубит – в 2012 году, более 1000 кубит – в июне 2015 года.
Кстати, квантовый компьютер купить у компании D-Wave можно уже сегодня за 11 миллионов долларов
Такой компьютер уже купил Google, хотя и сам гигант интернета работает над созданием собственного квантового компьютера.
D-Wave квантовый компьютер не универсальный, а предназначен для решения одной определенной задачи – поиска минимума какой-либо очень сложной функции. Можно представить функцию в виде горной системы. Целью оптимизации является поиск наиболее глубокой долины в горной системе.
Задача на поиск минимальной функции очень важна для человечества и решает задачи от поиска минимальных затрат в экономике до анализа процессов фотосинтеза.
Google сообщил, что компьютер D-Wave смог решить эту задачу (найти минимум функции) приблизительно в 100 миллионов раз быстрее, чем классический компьютер
Ученые полагают, активный выпуск квантовых компьютеров для решения конкретных задач можно ожидать уже через 10 лет. Универсальные же квантовые компьютеры вряд ли появятся в самом ближайшем будущем.
Если у Вас ещё остались вопросы, можете ознакомиться со статьёй Квантовый компьютер Википедия.
Будет ли служить квантовый компьютер заменой обычному?
Ответы на вопросы:
- Будет ли служить квантовый компьютер заменой обычному?
- Все ли операции квантовый компьютер выполняет быстрее обычного компьютера?
можно получить из этого видео (видео, 6 минут)
До встречи!
Желаю вдохновения, много сил для всех Ваших дел и проектов!
Сейчас для их воплощения есть много возможностей! Много открытой информации!
P.S.1 Если статья Вам понравилась, поделитесь информацией в соц сетях с Вашими друзьями.
P.S.2 Пишите Ваши мысли и вопросы в комментариях. Пишите, какие вопросы по теме «Квантовая физика популярно», Вам интересны?
P.S.3 Подписывайтесь на блог — форма для подписки под статьёй. По теме «Квантовая физика популярно» готовится серия статей.
