Какво е квантов компютър
Основната разлика между квантовите компютри и традиционните, транзисторни,
В класически компютър един бит може да съхранявасамо число: нула или едно. Квантовата физика обаче позволява суперпозиция на състояния. Квантовият бит може да бъде едновременно в нула и едно състояние - и това отваря невероятни възможности за ултрабързи изчисления.
За това му трябват хиляди супермощнипроцесори. В резултат на това изчисленията, които ще отнемат мощен игрален компютър седмично, суперкомпютърът извършва за един ден. Важно е обаче програмите да работят правилно, като се вземат предвид техническите характеристики на машината. В противен случай това, което работи правилно на 100 процесора, ще забави много с 200.
Квантовите компютри съхраняват и обработват данниизползвайки квантови битове - кубити. Последните могат не само да се включват и изключват, но и да са в преходно състояние или дори да се включват и изключват едновременно. Продължавайки аналогията с крушките: кубитът е като светлина, която сте изключили, но въпреки това продължава да мига. Или котката на Шрьодингер, която е и жива, и мъртва.
Тъй като светлините в квантовия компютър се включват и изключват едновременно, това спестява много време. Следователно той решава сложни проблеми много по-бързо от дори много мощно класическо устройство.
През 2001 г. Исак Чуанг, глЛабораторна изследователска група на IBM, помощник-професор в MIT и пионер в областта на квантовите изчисления, конструира квантов компютър, базиран на една молекула. Резултатите, които бяха публикувани в Nature, представляват първото експериментално прилагане на алгоритъма на Шор - алгоритъм за квантова факторизация (разлагане на число на прости множители), който позволява да се факторизира число във времето.
Когато имате твърде много атоми, това е такаизглежда като голяма гора. Беше много трудно да се контролира един атом с предишния. Предизвикателството е да се приложи [алгоритъмът] в система, която е достатъчно изолирана: в същото време тя трябва да остане квантово механична достатъчно дълго, за да можете действително да приложите целия алгоритъм.
Собствено име Фамилия
Квантовите компютри не приличат на обикновени компютри. Това са големи метални цилиндри с усукани проводници, които се спускат в хладилни агрегати.
Могат да се използват за различни задачи,включително изчисления по химия и физика или за създаване на нови материали. Друга област на приложение на квантов компютър е криптографията и проблемите на сигурността. Тези проблеми се усещат най-остро от финансовите организации и банките, което не е изненадващо: наскоро имаше скандали за течове и хакове.
Възможностите на квантовия компютър ще позволятполучите достъп до всякаква информация, така че е време да помислите дали да я защитите с помощта на съответните технологии или да използвате квантов компютър, за да създадете подобрено криптиране.
Какво означава „квантово превъзходство“?
Квантовото надмощие е способността за решаване на проблем, който е извън възможностите на най-модерните суперкомпютри.
През последните години бе постигнат значителен напредъкпостигнато при разработването на свръхпроводяща платформа. Същността на квантовото превъзходство се крие във факта, че квантовият компютър бързо решава проблем, за който класическият суперкомпютър отнема огромно време.
Първият пробив се случи в края на октомври 2019 г.когато Google обяви, че е разработил квантовия компютър Google Sycamore: според техните данни системата се е справила със задачата за 200 секунди, което ще изисква около 10 хиляди години работа на класически суперкомпютри. Това наричат термина „квантово превъзходство“.
Работата на компанията обаче беше посрещната с дялскептицизъм, а конкурентите от IBM изчислиха, че всъщност използваният проблем може да бъде решен за няколко дни - достатъчно за предимство, но не и за пълноценно превъзходство.
Следващият крайъгълен камък в развитието на квантовите компютрипадна в началото на декември 2020 г. На 4 декември стана известно, че китайски учени са създали прототип на квантов компютър "Jiuzhang", който се е справил със стандартния алгоритъм за проверка 10 милиарда пъти по-бързо от Sycamore, 53-кубитов прототип на квантов компютър от Google. Компанията заяви, че нейното развитие също е постигнало квантови постижения.
Учените са тествали изчислителните способности"Jiuzhang", използвайки специалния GBS алгоритъм. Системата се справи с него 100 трилиона пъти по-бързо от най-мощния съществуващ суперкомпютър. Освен това разработчиците заявиха, че изчислителната мощност на тяхното устройство е 10 милиарда пъти по-голяма от Sycamore.
През 2001 г. Chuang, пионер в квантовата индустрияизчисление, конструира квантов компютър, базиран на една молекула, която може да се държи в суперпозиция и да се манипулира чрез ядрено-магнитен резонанс, за да се умножи 15. Резултатите, публикувани в Nature, представляват първата експериментална реализация на алгоритъма на Шор. Но системата не беше мащабируема; с добавянето на повече атоми стана по-трудно да се контролира системата.
Как ще се използват новите квантови компютри?
Едно от най-важните приложения на квантакомпютър сега - разлагане на прости числа. Факт е, че цялата съвременна криптография се основава на факта, че никой не може бързо да разложи брой от 30-40 цифри (или повече) на основни фактори. На типичен компютър това ще отнеме милиарди години. Квантовият компютър може да направи това за около 18 секунди.
Ако приемем факта, че наличието на кванткомпютърът след известно време ще се превърне в социална норма, като в този случай няма да има тайни в цялото киберпространство, тъй като всички алгоритми за криптиране могат незабавно да бъдат хакнати и да получат достъп до всичко. Това важи за всичко - от банкови преводи до съобщения в месинджъра.
Квантовите компютри също са чудесни замоделиране на сложни ситуации, например изчисляване на физическите свойства на новите елементи на молекулярно ниво. Това може би ще позволи по-бързо намиране на нови лекарства или решаване на сложни ресурсоемки задачи.
Какво друго може да направи?
- Бази данни и търсене по тях.
Работата с Big Data ще стане невероятно бърза.Shazam, маршрутизация, невронни мрежи, изкуствен интелект – всичко това ще получи невероятен тласък. Също така ще бъде възможно да се изградят модели на взаимодействие на сложни протеинови съединения. Това ще бъде много важна стъпка за медицината, която отваря възможности за създаване на бъдещи лекарства, разбиране как различните вируси ни влияят и т.н.
- Приложения за криптография.
Поради огромната скорост на разлагане на простимултипликатори квантовият компютър ще позволи дешифриране на съобщения, криптирани от широко използвания криптографски алгоритъм RSA. До този момент този алгоритъм се счита за относително надежден, тъй като понастоящем ефикасен начин за факторизиране на числата в основни фактори за класически компютър не е известен. Благодарение на квантовия алгоритъм на Шор, тази задача става напълно осъществима, ако е изграден квантов компютър.
- Изследвания в областта на изкуствения интелект.
Квантовите компютри на теория са подходящиза нуждите на машинното обучение. Те манипулират големи количества данни за един проход и са способни да симулират невронна мрежа с експоненциален размер. През 2013 г. Google Corporation обяви откриването на лаборатория за квантови изследвания в областта на изкуствения интелект. Volkswagen провежда изследвания за използването на квантови компютри за разработване на самоуправляващи се автомобили и нови видове акумулаторни батерии (използвайки квантови компютри от Google и D-Wave) През ноември 2018 г. концернът обяви разработването на система за управление на трафика (с интегриране на безпилотни превозни средства в нея), работеща с помощта на квантови компютри D-Wave.
- Молекулярно моделиране.
Предполага се, че с помощта на кванткомпютрите ще могат да симулират точно молекулярни взаимодействия и химични реакции. Химичните реакции имат квантово естество. За класическите компютри могат да се изчислят само относително прости молекули. Според прогнозите на експертите симулацията на квантови компютри отваря нови перспективи за развитието на химическата индустрия, по-специално при създаването на лекарства
А какво да кажем за Русия?
Русия активно участва в квантовата надпревара, околоТова е написано от Nature преди около година. Приета е и „пътна карта за развитие на квантовите изчисления“. По отношение на текущото състояние Русия е създала ключови елементи за всички основни квантови изчислителни платформи.
Следващата стъпка е да ги мащабирате идемонстрация на решаване на проблеми с тяхна помощ. Трябва да се отбележи, че програмата е фокусирана не само върху хардуера и процесорите, но и върху софтуера. Следващият пробив в квантовите изчисления определено изисква оригинални идеи - традиционно силна страна на руските учени.
В края на ноември 2020 г. стана известно засъздаване на консорциум Национална квантова лаборатория (НКЛ). Консорциумът, включващ структури на Росатом, фондация Сколково и университети, ще изнася квантови технологии и ще развива инфраструктура. Но основната задача е да се създаде квантов компютър.
Като част от „пътната карта“ „Квантови изчисления“предвижда се изграждане на център за нанопроизводство с площ 2 хил. кв. м, както и усъвършенстван лабораторен комплекс с площ над 3,5 хиляди квадратни метра. м.
Сред основните показатели, посочени в „пъткарта ”, които се планира да бъдат постигнати, включително чрез създаването на NKL, - до края на 2024 г. членовете на консорциума трябва да създадат изчислителни системи на различни квантови платформи с капацитет от 30 до 100 кубита, да регистрират 40 международни патента годишно.
Прочетете също:
Ледникът на Страшния съд се оказа по-опасен, отколкото учените смятаха. Казваме основното
Вижте най-големия айсберг, правен някога от въздуха
Китай за първи път тества "изкуствено слънце"