Квантовый компьютер что это видео
Обновлено: 07.07.2024
Объясняем на лампочках и котиках, что такое квантовый компьютер.
К тому же это имеет прямое отношение к безопасности ваших данных, ведь многие защитные механизмы в цифровом мире основаны как раз на том, что их нельзя взломать за разумное время. Давайте разберемся, что это за квантовый компьютер такой и стоит ли опасаться, что киберпреступники начнут пользоваться им для взлома.
Что такое квантовый компьютер
Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства, от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue, хранят все в битах — так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.
Но когда устройство решает какую-то задачу, оно включает и выключает лампочки, постоянно записывая и стирая результаты промежуточных вычислений, чтобы они не забивали память. Это занимает время, так что если задача очень сложная, компьютер будет думать долго.
Квантовые компьютеры в жизни
Есть и другие проблемы, мешающие квантовым компьютерам полностью заменить предшественников. Вы помните, что они обрабатывают информацию принципиально иначе? Это значит, что и программы для них нужны совершенно другие. На квантовый компьютер нельзя просто взять и установить Windows — надо с нуля разрабатывать специальную квантовую ОС и специальные же квантовые приложения.
И хотя такие попытки уже предпринимают ученые и IT-гиганты, пока что квантовые компьютеры работают примерно как внешние жесткие диски — подключаются к обычным компьютерам и управляются через них. И используются они для решения узкого круга задач — например, для моделирования атома водорода или поиска по базам данных. А вот выйти в Интернет или посмотреть видео с котиками с помощью квантового компьютера не получится.
Тем не менее многие считают квантовые вычисления перспективными. Первая компания, продающая бизнесу квантовые компьютеры, появилась еще в 1999 году. Сейчас в это направление вкладываются крупные организации, такие как американские Google, Honeywell и IBM (последняя уже предлагает клиентам доступ к своему квантовому компьютеру через облако), японская Toshiba и китайские Alibaba и Baidu. В 2019 году квантовыми технологиями заинтересовались и российские власти.
Правда, тут стоит оговориться: задача, которую решили в Google, не имеет никакой практической пользы, кроме демонстрации возможностей квантовых технологий. Погружаться в ее суть мы не будем, потому что это действительно сложно и не очень нужно обычному пользователю. Но если вы очень хотите убедиться в этом лично, описание задачи есть в отчете Google.
А еще не все согласны с утверждением Google про 10 000 лет. В IBM, например, уверены, что суперкомпьютер сможет решить эту же задачу пусть и не за три минуты, но всего за два с лишним дня. Хотя это, в общем-то, тоже ощутимая разница.
Квантовые компьютеры (пока) не угроза
Как видите, квантовые компьютеры до сих пор — скорее игрушка для ученых, чем потребительские устройства или инструмент взломщика. Что, конечно, не значит, что в будущем они не станут ближе к жизни (и опаснее). Впрочем, эксперты в области защиты данных уже сейчас готовят на них управу. Но об этом — в следующий раз.
Интересно, а какая сторона у монетки в тот момент, когда она в воздухе? Орел или решка, горит или не горит, открытое или закрытое, 1 или 0. Все это примеры двоичной системы, то есть системы, которая имеет всего два возможных состояния. Все современные процессоры в своем фундаменте основаны именно на этом!
При правильной организации транзисторов и логических схем можно сделать практически все! Или все-таки нет?
Современные процессоры это произведение технологического искусства, за которым стоят многие десятки, а то и сотни лет фундаментальных исследований. И это одни из самых высокотехнологичных устройств в истории человечества! Мы о них уже не раз рассказывали, вспомните хотя бы процесс их создания!
Процессоры постоянно развиваются, мощности растут, количество данных увеличивается, современные дата-центры ворочают данные сотнями петабайт (10 в 15 степени = 1 000 000 000 000 000 байт). Но что если я скажу что на самом деле все наши компьютеры совсем не всесильны!
Например, если мы говорим о BigData (больших данных) то обычным компьютерам могут потребоваться года, а то и тысячи лет для того, чтобы обработать данные, рассчитать нужный вариант и выдать результат.
И тут на сцену выходят квантовые компьютеры. Но что такое квантовые компьютеры на самом деле? Чем они отличаются от обычных? Действительно ли они такие мощные? Будет ли на них CS:GO идти в 100 тысяч ФПС?
Небольшая затравочка — мы вам расскажем, как любой из вас может уже сегодня попробовать воспользоваться квантовым компьютером!
Устраивайтесь поудобнее, наливайте чай, будет интересно.
Глава 1. Чем плохи обычные компьютеры?
Начнем с очень простого классического примера.
Представим, что у вас есть самый мощный суперкомпьютер в мире. Это компьютер Фугаку. Его производительность составляет 415 ПетаФлопс.
Давайте дадим ему следующую задачку: надо распределить три человека в две машины такси. Сколько у нас есть вариантов? Нетрудно понять что таких вариантов 8, то есть это 2*2*2 или 2 в третьей степени.
Как быстро наш суперкомпьютер справится с этой задачей? Мгновенно! Задачка-то элементарная.
А теперь давайте возьмем 25 человек и рассадим их по двум шикарным лимузинам, получим 2 в 25 степени или 33 554 432 варианта. Поверьте, это число тоже плевое дело для нашего суперкомпьютера.
А теперь 100 человек и 2 автобуса, сколько вариантов?
Считаем: 2 в 100 степени — это примерно 1.27 x 1030 или 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 вариантов.
Теперь нашему суперкомпьютеру на перебор всех вариантов понадобится примерно 4.6*10^+35 (4.6 на 10 в 35 степени) лет. А это уже очень и очень много. Такой расчет займет больше времени чем суммарная жизнь сотен вселенных.
Суммарная жизнь нашей вселенной: 14 миллиардов лет или 14 на 10 в 9 степени.
Даже если мы объединим все компьютеры в мире ради решения, казалось бы, такой простой задачки как рассадка 100 человек по 2 автобусам — мы получим решение, практически никогда!
И что же? Все? Выхода нет?
Есть, ведь квантовые компьютеры будут способны решить эту задачку за секунды!
И уж поверьте — использоваться они будут совсем не для рассадки 100 человек по 2 автобусам!
Глава 2. Сравнение. Биты и Кубиты
Давайте разберемся, в чем же принципиальная разница.
Мы знаем, что классический процессор состоит из транзисторов и они могут пропускать или не пропускать ток, то есть быть в состоянии 1 или 0 — это и есть БИТ информации. Кстати, рекомендую посмотреть наше видео о том как работают процессоры.
Вернемся к нашему примеру с двумя такси и тремя людьми. Каждый человек может быть либо в одной, либо в другой машине — 1 или 0.
Вот все состояния:
Для решения процессору надо пройти через абсолютно все варианты один за одним и выбрать те, которые подходят под заданные условия.
В квантовых компьютерах используются тоже биты, только квантовые и они принципиально отличаются от обычных транзисторов.
Они так и называются Quantum Bits, или Кубиты.
Что же такое кубиты?
Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Их главное свойство — они способны находиться одновременно в 2 состояниях, то есть в особом состоянии — суперпозиции.
Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка….
В нашем случае они одновременно 1 и 0!
Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось.
Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики!
Квантовый компьютер внутри
Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество.
И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать.
И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки.
Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной!
Принцип работы квантового компьютера
Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера:
Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами.
Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно!
Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то!
Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный?
Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам.
Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно:
1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров!
Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.
У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ.
Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз!
Квантовые компьютеры сегодня
Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов!
На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Их разработкой занимаются GOOGLE, IBM, INTEL, MICROSOFT и другие компании поменьше. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров.
Сундар Пичаи и Дэниэл Сэнк с квантовым компьютером Google. Октябрь 2019
В октябре прошлого года, в журнале Nature, Google выложила статью, которая шарахнула по всему миру огромными заголовками — КВАНТОВОЕ ПРЕВОСХОДСТВО!
В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет!
Конечно IBM было очень обидно и они начали говорить, что задача слишком специальная, и вообще не 10000 лет, а 2.5 дня, но факт остается фактом — квантовое превосходство было достигнуто в определенной степени!
Так что теперь вопрос считанных лет, когда квантовые компьютеры начнут использоваться повсеместно! IBM, например, только что анонсировали что в 2023 году создадут коммерческий квантовый компьютер с 1121 кубитами!
Чтобы вы понимали калькулятор Google даже не считает сколько будет 2 в 1121 степени, а просто говорит — бесконечность! И это совсем не предел.
Уже ведется разработка компьютеров на миллионы кубитов — именно они откроют истинный потенциал квантовых вычислений.
Более того, вы уже сейчас можете попробовать самостоятельно попробовать квантовые вычисления! IBM предлагает облачный доступ к самым современным квантовым компьютерам. Вы можете изучать, разрабатывать и запускать программы с помощью IBM Quantum Experience.
Но зачем вообще нужны квантовые компьютеры и где они будут применяться?
Естественно, не для распихивания людей по автобусам.
Задач множество. Главная — базы данных и поиск по ним, работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок! Кроме того симуляции и моделирование квантовых систем! Зачем это надо — спросите вы?
Это очень важно, так как появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений.
Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просто умопомрачительные просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее. Простор огромен!
Чтобы вы примерно понимали какая это сложная задачка, мы вернемся в примеру с монеткой. Представьте что вам надо заранее смоделировать что выпадет — орел или решка.
Надо учесть силу броска, плотность воздуха, температуру и кучу других факторов. Сложно? Ну не так уж!
А теперь представьте, что у вас не один человек, который кидает монетку, а миллион разных людей, в разных местах, по-разному кидают монетки. И вам надо рассчитать что выпадет у всех! Вот примерно настолько сложная эта модель о взаимодействии белков.
Кроме того, вы наверняка слышали о том, что квантовые компьютеры сделают наши пароли просто пшиком, который можно будет подобрать за секунды. Но это уже совсем другая тема…
Вывод
Какой вывод из всего этого мы можем сделать, квантовый компьютер — это принципиально новая система. Она отличается от обычных компьютеров в самом фундаменте, в физических основах на которых работает.
Их на самом деле даже нельзя сравнивать! Это все равно, что сравнивать обычные счеты и современные компьютеры!
И конечно есть большие сомнения, что вы когда-нибудь сможете прийти в магазин и купить свой маленький квантовый процессор. Но они вам и не нужны. Квантовые компьютеры для обычного пользователя станут как современные дата-центры, то есть нашими невидимыми помощниками, которые расположены далеко и которые просто делают нашу жизнь лучше или как минимум другой!
Квантовые компьютеры — тема актуальная и широко распиаренная. В разработку этой технологии включились ведущие мировые компании. На их создание тратятся колоссальные материальные и человеческие ресурсы.
Но являются ли устройства, которые называют квантовыми компьютерами, таковыми по своей сути?
Как работают современные так называемые квантовые компьютеры?
- Что такое кубит? Есть ли принципиальная разница между битом и кубитом в объёме переносимой информации?
- Что представляет из себя квантовая система и действительно ли в ней используется квантовая запутанность?
- Почему все современные квантовые компьютеры — это всего лишь банальные калькуляторы, хоть и очень производительные?
- В чём принципиальное отличие настоящего квантового компьютера, который создаёт компания ХP NRG, от всех других устройств, претендующих на это название?
- Что такое многомерное программирование, лежащее в основе создания настоящих квантовых компьютеров?
- Как небольшая компания создала то, что не под силу огромным транснациональным корпорациям?
- Какие возможности откроются людям в использовании мгновенной связи вне зависимости от расстояний?
- Можно ли обычный смартфон превратить в мощный суперкомпьютер?
- Когда и при каком условии технологии, лежащие в основе функционирования настоящих квантовых компьютеров, станут доступны всему человечеству?
Ответы на все эти вопросы даны Игорем Михайловичем Даниловым в полной версии передачи «ХР NRG — первые в мире создатели искусственного сознания».
Текстовая версия видео «Что такое настоящий квантовый компьютер и чем он отличается от всего, что так называют?»
Фрагменты передачи «ХР NRG — первые в мире создатели искусственного сознания» с 1:52:32 по 2:07:54 и с 2:10:03 по 2:17:02.
Игорь Михайлович: Я, забегая наперёд, скажу: то, чем мы занимаемся, — это в действительности как раз и есть квантовые компьютеры, которые работают как раз на многомерном программировании, то есть оперируя…
Алексей: …на совершенно другом подходе.
Игорь Михайлович: Да. И здесь, я думаю, давай поговорим о квантовых компьютерах, чтобы было хоть какое-то представление, что это такое на самом деле. Для понимания, скажем так, все современные так называемые «квантовые компьютеры» работают при температуре охлаждения приблизительно… к нулю идёт оно, я имею в виду –270 ℃ и тому подобное. Из-за чего подтягивают к абсолютному нулю вот эту температуру? Из-за того, что металлы становятся такими сверхпроводниками и, получается, они могут оперировать меньшим сигналом с большей частотой. И, конечно, если мы возьмём современные (Алексей: Да) так называемые «квантовые компьютеры», 2 000 кубитный квантовый, — это, конечно, огромнейший объём информации, который может перерабатываться одновременно.
Но, ребята, давайте разберёмся: что значит «обрабатываться одновременно»? Это как вот у тебя в телефоне, понимаешь? Масса вагонов, пустых эшелонов, которые гоняются. И вот для понимания мы сравним: давай возьмём, к примеру, бит — это большой железнодорожный вагон, а кубит — это множество маленьких пустых вагончиков. Представляем большие вагоны железнодорожные и, вот видела (и, может быть, наши друзья видели), детская игра железнодорожная (Татьяна: Да, полотно), вот что собирают: в домике вот это катается по рельсам паровозик и вагончики тягает, маленькие такие вагончики. И вот теперь представь: сколько вот таких маленьких вагончиков может поместиться в большой вагон?
Татьяна: Огромное… много.
Игорь Михайлович: Много. И вот настолько он быстрее обычного компьютера. Понимаешь? Почему? Потому что он гоняет маленькие вот эти вагончики.
Но что говорят разработчики? Что ещё используется квантовая система, то есть здесь он запустился, тут мы поменяли спин, там он поменялся, взаимодействие, квантовая запутанность и тому подобное, это все знают, я думаю. Но они не оперируют этим. По идее, у них должен идти один вагончик с таким цветом хамелеон, и полотно должно шататься в районе оператора. Вот к оператору подходит: он может повернуться в эту сторону — и мы будем его видеть тёмным, в эту сторону — белым. Понимаешь?
Вот для понимания давай уберём цвет (мы говорили синий, красный), а для понимания и для сравнения, то, что хочу рассказать, мы возьмём вагоны чёрные и белые (вот просто будет понять). Работает обыкновенный твой телефон, берём обыкновенный компьютер, он прогоняет вагоны чёрные и белые. Вот масса белых, один чёрный, чёрные, потом белые — это единица, нолик и тому подобное. Что делает «квантовый компьютер»? Гоняет кучу маленьких вагончиков в тех же самых цветах. Понимаешь? (Татьяна: Чёрно-белых).
У них даже нет такого понятия «шатания», или какой-то там хамелеон-цвет, где, скажем, те же рельсы шатнулись на каком-то участке — и он уже передал информацию оператору, который сидит и наблюдает (Татьяна: Наблюдателю) за этим и записывает это… И вот по этой записи он выводит комбинацию… знаешь, вот как азбука Морзе. Да, вот это самый лучший вариант, как азбука Морзе: там точка-тире, тире-точка — и формируются слова. Вот аналог, он везде: что на одном, что на другом, что на обычном, что на так называемом «квантовом компьютере», — вот именно эта система.
Но рассказывают, что вот «они квантовые», «они в запределье там»… Да нет никакого запределья, это всё сказки. Просто они вместо больших вагонов гоняют маленькие. Скорость, да, выше, объём больше, и вот они показывают: «Наш компьютер обрабатывает в миллиарды раз больше самого скоростного, вот мы создаём суперкомпьютер, который сможет всё просчитать». Ребята, ничего он не сможет: что заложим в него, то он и сможет. Это та же железяка, которая вместо больших вагонов гоняет маленькие вагоны.
Вот для понимания давайте сравним то, что сделали мы (вот ребята сделали, собственно говоря, они сидели и делали), чем отличается их многомерное программирование…
Алексей: Просьба не путать с многоуровневым, потому что это принципиально совершенно другой подход.
Игорь Михайлович: Тоже большая разница, да. Многомерное и многоуровневое программирование — это абсолютно разные вещи.
Алексей: Мы просто, когда занимались созданием сферы, блоков, в принципе, использовали многомерное программирование (Игорь Михайлович: Да). Это совершенно иной подход, работа ведётся…
Игорь Михайлович: Так, стоп-стоп-стоп. Давай я поясню иносказательно на вагончиках, это будет лучше. Хорошо?
Алексей: Хорошо.
Игорь Михайлович: Вы меня простите, но… Я понимаю, кому-то хочется технические узнать вещи, но, я думаю, нам…
Татьяна: …хотя бы понимание… понять, что это.
Игорь Михайлович: Для наших друзей чтобы было понимание, в чём разница, а не технические вопросы разрешения этого. Правильно?
И вот возвращаемся мы к вагончикам. И для понимания сути вещей, скажем так, давайте представим: вот у нас где-то в лесу есть странные звери — олени, у них «корни из головы растут», знаете, такие вот. И они бегают по лесу и очень хотят морковки (что они ещё там. ), яблок хотят и тому подобное. Так вот, что один вагон битовый летит к ним на больших скоростях, вот как у тебя там, семь триллионов вагонов в секунду, которые формируют огромный плакат, на котором нарисовано яблоко или морковка…
Но технический прогресс не стоит на месте, и они выпускают так называемый «квантовый компьютер», и запускают маленькие вагончики в этих цветах: более детальная прорисовка, практически как живые яблоки и как живые морковки, плакаты везде расставлены по лесу. Оленям от этого лучше будет, от этих фотографий (Татьяна: От плакатов) и нарисованных вещей, проще говоря?
Татьяна: Изображение, образ просто.
Игорь Михайлович: Да, они рисуют образы. Вот основное принципиальное отличие: благодаря использованию нашей разработки многомерного программирования, теперь вот эти Mac mini, на которых работают ребята…
Алексей: …открывают колоссальные возможности, в принципе, при правильном подходе.
Игорь Михайлович: Да.
Татьяна: Вот как раз то, что вы разработали. Правильно?
Игорь Михайлович: Да. Почему? Потому что вагон не идёт пустой, как вот эта куча маленьких пустых вагончиков, а он идёт полный: один с яблоками, другой с морковкой, которые приезжают к этим оленям, странным существам, и кормят их. И олени получают яблоки и морковку, а не их фотографию. Понимаете теперь, в чём суть?
Пояснительный мультфильм о полных и пустых вагончиках битов, кубитов, о странном звере олене и его приключениях.
И вот теперь давайте представим объём работы, которую выполняет битный обычный компьютер: большая скорость, да, прописывает программы и тому подобное, но он их может прописывать только в трёхмерности и, извините, в плоскости, и всё. Он может лишь моделировать трёхмерность, но он не может её создавать вообще (Татьяна: Второе измерение).
Мы уже не говорим о высшей мерности, он не может даже трёхмерность создать. Да, он может подать сигнал на 3D-принтеры (Алексей: 3D-принтеры), которые могут формировать что-то. Он может подавать им команды, но нужно что-то, что будет за них делать. Понимаете, то есть это посредник. «Квантовый компьютер» их так называемый — посредник с кучей маленьких пустых вагончиков.
Так «квантовый компьютер» лучше или хуже? Ну это опять-таки далеко не квантовый компьютер. То, что они посылают более короткие сигналы, вот эти кубиты свои большей кучкой, стаей такой вот, как саранча летит, но это ни о чём не говорит. Это скорость вычисления. Да, она увеличивается, если нам надо что-то посчитать, что-то сложить, какую-то картинку создать, но это всё плоскость, это всё двухмерность, оно не выходит за грань двухмерности и выйти не может. Рассказывают, что «они будут открывать какие-то порталы, оно там что-то делается». Да ничего не делается и делаться не будет. Это просто банальный проводник: охладили — он стал суперпроводником, они подают более короткий сигнал — да, он быстрее работает. Ну и что?
Татьяна: А суть та же, да.
Игорь Михайлович: В чём смысл? Мы взяли большие вагоны, вместо них сделали кучу маленьких вагонов. Давайте просчитаем, это математика, это просто: сколько морковок мы можем отвезти, плотно забив большой вагон? Много, при желании можно вычислить (Татьяна: Да): размер там… берём среднестатистическую морковку, и вот их загружаем. Теперь берём такой же объём, подчёркиваю, такой же объём маленьких вот этих кубитиков, маленьких вагончиков, и пытаемся загрузить их морковкой. Сколько туда влезет?
Татьяна: А влезет ли?
Игорь Михайлович: И вот эта супертехнология становится абсолютно непригодной для будущего. Вот этот их «квантовый компьютер» — это банальный калькулятор, это банальный, скажем, двухмерный аппарат, дальше он пойти не может. В чём преимущество в действительности в будущем квантовых компьютеров? Подчёркиваю, в будущем, не сейчас, сейчас у нас нет ни одного квантового компьютера. У нас есть компьютеры на суперпроводниках, которые с большей скоростью гоняют меньшие вагончики.
Что может быть в будущем? В будущем может быть мгновенная связь от одного компьютера к другому. Почему? Когда мы оперируем на одной системе, у нас может быть мгновенная связь вне зависимости от расстояния, когда у тебя… К примеру, мы взяли целое облако электронов, они взаимосвязаны с другим облаком: вот одно облако есть на айфоне у Алексея, а другое — у тебя. Вас отправили в космос в разные стороны вот в буквальном смысле слова. Вы мгновенно будете связываться, даже быстрее намного, чем сейчас вот рядом сидящие (потому что сигнал от вас сейчас не идёт напрямую: он пойдёт на какую-то станцию, там должны поработать вот эти плоскоголовые, извините, вагончики в двухмерности, потом передать сюда сигнал, должно сработать оборудование, на котором оно должно декодироваться, а потом только ты его услышишь или он тебя, понимаешь, — сигнал дойдёт, ну смешно). А здесь прямо: вот у тебя развернулся, допустим, повернулись — спин изменился там. То есть это вот такая разница. Опять-таки мы упираемся во что? Мы упираемся во вчерашний день. На сегодняшний день это должен быть вчерашний день, мы упираемся опять в чёрное и белое. И опять мы упираемся в те же в нолик и единичку, по-другому не скажешь.
И вот это декодирование азбуки Морзе, только усовершенствованной, оно и является вот этим предметом спора на сегодняшний день, или что? Но здесь хотя бы может быть связь мгновенная, да, можно перебрасывать огромное количество информации, скажем, без всяких проводов, без всяких Wi-Fi, а напрямую, потому что есть квантовая запутанность. Вот это квантовое взаимодействие, я согласен, оно в будущем может приносить какую-то пользу.
Татьяна: Бесполезной.
Алексей: На сегодняшний день, в принципе, даже из пятого айфона можно сделать современный суперкомпьютер. Вот как Игорь Михайлович уже говорил, сейчас мы видим только одно: растёт количество кубитов, оно увеличивается, но при этом…
Игорь Михайлович: Олени сытей не становятся. Да? И не насыщаются.
Алексей: Да.
Игорь Михайлович: А если использовать многомерное программирование, даже пятый айфон будет гораздо мощнее и круче, допустим, чем последние эти MacBook. То есть намного он превзойдёт по своим возможностям. Вот в чём смысл? И опять здесь не надо путать с количеством обрабатываемой информации за один промежуток времени: за секунду или миллисекунду. Опять-таки почему? Потому что то, что заложено в пятом айфоне, оно даёт возможность (как вообще вот в айфонах, в Apple), оно даёт возможность зайти и вложить в эту программу. Понимаешь? То есть использовать многомерное программирование именно на этой их базе (Татьяна: Базе), да, на их iOS.
Алексей: Это стало, в принципе, возможным опять-таки благодаря тому, что данная компания, производитель Apple, использует Unix-архитектуру, которая, как я уже упоминал, даёт, в принципе, колоссальные манёвры для наших действий.
Игорь Михайлович: Это основная отличительная черта. А, кстати, мы разбирали даже Xiaomi, да?
Алексей: Да.
Татьяна: Возможности…
Игорь Михайлович: Вот не знаю, как твой вот этот, мы вообще компанию Xiaomi смотрели и также на их оборудование — тоже легко очень программировать.
Игорь Михайлович: Конечно, много чего интересного, и можно на эту тему долго рассказывать…
Алексей: Я думаю, что, в принципе, лет через 50, возможно, люди придут к этому пониманию. Может, и раньше, конечно.
Игорь Михайлович: Да. Здесь опять-таки зависит от человечества, от его строя. При потребительском формате оно же всё будет идти в коммерцию, оно всё будет смотреть… Давайте говорить, называя вещи своими именами: всё будет использоваться для усовершенствования современного оружия, ещё чего-то, это же правда, а потом уже будет приходить к нам, к потребителям. Всё будет тормозиться. В созидательном обществе немножко может быть побыстрее.
Что такое квантовый компьютер
Привычные нам компьютеры хранят информацию в двоичном коде, а наименьшей единицей хранения информации является бит. Он может принимать строго одно из двух значений: 0 или 1. При решении задачи ПК проводит множество последовательных операций с битами, и в случае со сложными задачами этот процесс занимает много времени.
Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем классические. Для решения любых алгоритмических задач они используют квантовые биты — кубиты.
Кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях, поэтому при проведении вычислений не перебирают последовательно все возможные комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. В итоге та задача, на выполнение которой у обычного компьютера ушла бы неделя, может выполняться на квантовом компьютере за секунду.
В настоящее время усилия ведущих игроков сосредоточены в направлении разработки специализированных квантовых вычислителей для конкретной задачи (так делает D-Wave) и универсальных квантовых компьютеров для решения разных задач (IBM, Google).
Первый двухкубитный квантовый компьютер появился в 1998 году. Он работал на так называемом явлении «ядерного магнитного резонанса». Компьютер использовался в Оксфордском университете, в исследовательском центре IBM и Калифорнийским университетом в Беркли вместе с сотрудниками из Стэнфордского университета и Массачусетского технологического института. В 2018 году IBM предложила сторонним компаниям использовать ее 20-кубитный квантовый компьютер через облако. Google представила 53-кубитный компьютер Sycamore и заявила о достижении квантового превосходства. Квантовое превосходство подразумевает способность квантовых вычислительных устройств решать те проблемы, которые не могут решить классические компьютеры. По заявлению компании, Sycamore потребовалось около 200 секунд, чтобы выполнить выборку одного экземпляра схемы миллион раз. Самому мощному суперкомпьютеру Summit для той же задачи понадобилось бы около 10 тыс. лет.
Правда, в IBM оспорили утверждение Google. Компания утверждала, что Summit справится с задачей для Sycamore в худшем случае за 2,5 дня, но полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера. Это позволил предположить теоретический анализ.
В России квантовые технологии также привлекают внимание исследователей. Так, в 2010 году для проведения исследовательских работ в этой области был организован Российский квантовый центр. В 2019 году была разработана сначала единая дорожная карта, а после — дорожная карта на каждое отдельное направление: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», говорит, что создание квантовых процессоров стало одной из основных задач дорожной карты, утвержденной в июле 2020 года. По его словам, работа ведется в нескольких плоскостях: развитии фундаментальной науки и первых прикладных внедрениях квантовых продуктов. Россия стала одним из 17 технологически развитых государств с официально утвержденной квантовой стратегией.
Юнусов рассказал, что перед отечественными разработчиками стоит задача к 2025 году построить квантовые процессоры на четырех основных платформах: сверхпроводниках, ионах, атомах и фотонах, а также создать облачный софт, который позволил бы работать с этими процессорами удаленно, вне лабораторий. На реализацию дорожной карты предусмотрено финансирование в размере 23,7 млрд рублей.
Как работает квантовый компьютер
Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.
Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление
Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.
Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:
-
(разложения числа на простые множители) (решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных) (ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция)
Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие.
Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения.
Как объяснил Руслан Юнусов, исторически сверхпроводники считались наиболее перспективным направлением благодаря хорошей масштабируемости, стабильности во времени, контроле параметров и относительной легкости управления ими. Именно на этой платформе построены квантовые компьютеры IBM, Google и Rigetti. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций (Honeywell, IonQ), и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах (Xanadu, PsiQuantum, Quix).
Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.
Чем квантовый компьютер превосходит обычный?
Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому. При этом большими объемами данных можно управлять одновременно с помощью концепции, известной как квантовый параллелизм. Имея возможность вычислять и анализировать разные состояния данных одновременно, а не по одному, квантовые системы могут давать результаты с очень высокой скоростью.
Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому.
Квантовые системы можно было бы применить для того, чтобы решить проблему коммивояжера — задачу, которая требует нахождения кратчайшего маршрута между множеством городов, прежде чем вернуться домой. А решение этой задачи позволило бы более грамотно выстраивать навигацию и планировать маршруты по всему миру, что удешевило бы и упростило перемещения людей и грузов. Подобного рода исследования уже проводит Volkswagen совместно с D-Wave и Google.
Квантовый компьютер способен обрабатывать огромные объемы финансовых, фармацевтических или климатологических данных, чтобы найти оптимальные решения проблем в этих отраслях.
Наконец, квантовые системы способны найти новые методы шифрования и легко взламывать даже самые сложные шифры.
IBM Quantum уже работает с клиентами над решением подобных проблем. Компания помогает разработать новое поколение электромобилей на технологии квантовых батарей с Daimler; технологию снижения выбросов углерода в атмосферу с помощью открытия экологичных материалов с ExxonMobil: ищет истоки зарождения Вселенной вместе с CERN. А Google использовала Sycamore для точного моделирования химической реакции.
Читайте также: