Квантовый компьютер что это
Обновлено: 05.07.2024
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!
До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоретической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями — квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки — квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в XXI веке ученые вплотную приблизятся к созданию квантового компьютера.
Вначале квантовая механика позволила объяснить структуру атома и помогла понять происходящие внутри него процессы. По большому счету сбылась давняя мечта алхимиков о превращении атомов одних элементов в атомы других (да, даже в золото). А знаменитая формула Эйнштейна E=mc2 привела к появлению атомной энергетики и, как следствие, атомной бомбы.
Квантовый процессор на пяти кубитах от IBM
Дальше — больше. Благодаря работам Эйнштейна и английского физика Поля Дирака во второй половине XX века был создан лазер — тоже квантовый источник сверхчистого света, собранного в узкий пучок. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию не одному десятку ученых, а сами лазеры нашли свое применение почти во всех сферах человеческой деятельности — от промышленных резаков и лазерных пушек до сканеров штрихкодов и коррекции зрения. Примерно в то же время шли активные исследования полупроводников — материалов, с помощью которых можно легко управлять протеканием электрического тока. На их основе были созданы первые транзисторы — они в дальнейшем стали главными строительными элементами современной электроники, без которой сейчас мы уже не представляем свою жизнь.
Быстро и эффективно решать многие задачи позволило развитие электронных вычислительных машин — компьютеров. А постепенное уменьшение их размеров и стоимости (в связи с массовым производством) проложило компьютерам дорогу в каждый дом. С появлением интернета наша зависимость от компьютерных систем, в том числе и для коммуникации, стала еще сильнее.
Зависимость растет, постоянно растут вычислительные мощности, но настала пора признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом начал говорить знаменитый физик Ричард Фейнман: еще в 1981 году на конференции он заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Все дело в ее квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо — привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то в качестве альтернативы Фейнман предложил использовать для расчетов физических систем квантовые компьютеры.
Что же такое квантовый компьютер и в чем его отличие от компьютеров, к которым мы привыкли? Все дело в том, как мы представляем себе информацию.
Если в обычных компьютерах за эту функцию отвечают биты — нули и единички, — то в квантовых компьютерах им на смену приходят квантовые биты (сокращенно — кубиты). Сам кубит — вещь довольно простая. У него по-прежнему два основных значения (или состояния, как любят говорить в квантовой механике), которые он может принимать: 0 и 1. Однако благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно.
В этом и заключается параллельность квантовых вычислений с кубитами. Все случается сразу — уже не нужно перебирать все возможные варианты состояний системы, а это именно то, чем занимается обычный компьютер. Поиск по большим базам данных, составление оптимального маршрута, разработка новых лекарств — лишь несколько примеров задач, решение которых способны ускорить во множество раз квантовые алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа нужно перебрать огромное количество вариантов.
Кроме того, для описания точного состояния системы теперь не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, ведь для расчета системы из 100 частиц достаточно 100 кубитов, а не триллионов триллионов бит. Более того, с ростом числа частиц (как в реальных сложных системах) эта разница становится еще существеннее.
Одна из переборных задач выделялась своей кажущейся бесполезностью — разложение больших чисел на простые множители (то есть делящиеся нацело только на самих себя и единицу). Это называется «факторизация». Дело в том, что обычные компьютеры умеют довольно быстро перемножать числа, пусть даже и весьма большие. Однако с обратной задачей разложения большого числа, получившегося в результате перемножения двух простых чисел, на исходные множители обычные компьютеры справляются очень плохо. Например, чтобы разложить на два сомножителя число из 256 цифр, даже самому мощному компьютеру понадобится не один десяток лет. А вот квантовый алгоритм, который может решить эту задачу за несколько минут, придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.
Первый российский кубит под электронным микроскопом
Квантовый процессор на девяти кубитах от Google
С появлением алгоритма Шора перед научным сообществом встала серьезная проблема. Еще в конце 1970-х годов, основываясь на сложности задачи факторизации, ученые-криптографы создали алгоритм шифрования данных, получивший повсеместное распространение. В частности, с помощью этого алгоритма стали защищать данные в интернете — пароли, личную переписку, банковские и финансовые транзакции. И после многолетнего успешного использования вдруг оказалось, что зашифрованная таким способом информация становится легкой мишенью для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Дешифровка с его помощью становится минутным делом. Радовало одно: квантовый компьютер, на котором можно было бы запустить смертоносный алгоритм, еще не был создан.
Тем временем по всему миру десятки научных групп и лабораторий стали заниматься экспериментальными исследованиями кубитов и возможностями создания из них квантового компьютера. Ведь одно дело — теоретически придумать кубит, и совсем другое — воплотить его в реальность. Для этого было необходимо найти подходящую физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно использовать в качестве базовых состояний кубита — нуля и единицы. Сам Фейнман в своей пионерской статье предлагал использовать для этих целей закрученные в разные стороны фотоны, но первыми экспериментально созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы. За ионами последовали многие другие физические реализации: ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи — все они отвечали поставленным требованиям.
Такое разнообразие имело свои достоинства. Подгоняемые острой конкуренцией, различные научные группы создавали все более совершенные кубиты и строили из них все более сложные схемы. Основных соревновательных параметров у кубитов было два: время их жизни и количество кубитов, которые можно было заставить работать сообща.
Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем
Время жизни кубитов задавало то, как долго в них хранилось хрупкое квантовое состояние. Это, в свою очередь, определяло, сколько вычислительных операций можно было выполнить с кубитом, пока он не «умер».
Для эффективной работы квантовых алгоритмов нужен был не один кубит, а хотя бы сотня, причем работающая вместе. Проблема заключалась в том, что кубиты не очень любили соседствовать друг с другом и выражали протест драматическим уменьшением своего времени жизни. Чтобы обойти эту неуживчивость кубитов, ученым приходилось идти на всяческие ухищрения. И все же на сегодняшний день ученым удалось заставить работать вместе максимум один-два десятка кубитов.
Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер — все еще дело будущего. Хотя уже совсем не такого далекого, как могло когда-то казаться, ведь к его созданию активно подключаются как крупнейшие корпорации вроде Intel, IBM и Google, так и отдельные государства, для которых создание квантового компьютера — вопрос стратегической важности.
Принципы работы квантового компьютера для чайников
Представьте теперь себе друзья на секунду модель нашей солнечной системы. В центре Солнце, вокруг него летит Земля. Мы знаем, что она в определенный момент всегда находится в определенной точке пространства и через секунду она уже улетит на тридцать километров дальше.
А что сейчас ? А вот так выглядит квантовый процессор под микроскопом на 9 кубит от фирмы Google.
А мы что же? А мы то же не за печкой родились. Вот нарыл фото первого российского Кубита под микроскопом. Тут правда он один.
«Квантовый компьютер функционирующий, он гораздо страшнее атомной бомбы, — отмечает сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. — Он (Михаил Лукин) сделал систему, в которой больше всего кубитов. На всякий случай. На данный момент, я думаю, это более чем в два раза больше кубитов, чем у кого-либо другого. И он специально сделал 51 кубит, а не 49. Потому что Google всё время говорили, что сделают 49».
Впрочем, сам Лукин и руководитель квантовой лаборатории Google Джон Мартинес конкурентами или соперниками себя не считают. Учёные убеждены, что их главным соперником является природа, а основной целью — развитие технологий и их внедрение для продвижения человечества на новый виток развития.
«Неправильно думать об этом, как о гонке, — справедливо считает Джон Мартинес. — Настоящая гонка у нас с природой. Потому что это действительно сложно — создать квантовый компьютер. И это просто захватывающе, что кому-то удалось создать систему с таким большим количеством кубитов. Пока 22 кубита — это максимум, что мы могли сделать. Хоть мы и использовали всё своё волшебство и профессионализм».
Ясно только, что когда это все заработает, оно потащит вперед за собой всю наукоемкую промышленность.Постепенно появятся новые технологии, новые отрасли, новый софт.. Время покажет.
Читайте также: