O que é um computador quântico
A principal diferença entre computadores quânticos e tradicionais, transistorizados,
Em um computador clássico, um bit pode armazenarapenas um número: zero ou um. A física quântica, entretanto, permite uma superposição de estados. Um bit quântico pode estar em estado zero e um ao mesmo tempo - e isso abre oportunidades incríveis para computação ultrarrápida.
Para fazer isso, ele precisa de milhares de superpoderososprocessadores. Como resultado, os cálculos, que levariam um poderoso computador para jogos por semana, são executados pelo supercomputador em um dia. Porém, é importante que os programas funcionem corretamente, levando em consideração as características técnicas da máquina. Caso contrário, o que funciona corretamente em 100 processadores ficará mais lento em 200.
Computadores quânticos armazenam e processam dadosusando bits quânticos - qubits. Este último pode não apenas ser ligado e desligado, mas também estar em um estado transitório, ou mesmo ser ligado e desligado ao mesmo tempo. Continuando a analogia com as lâmpadas: um qubit é como uma luz que você apagou, mas ainda continua piscando. Ou o gato de Schrödinger, que está vivo e morto.
Como as luzes de um computador quântico acendem e apagam ao mesmo tempo, isso economiza muito tempo. Portanto, ele resolve problemas complexos com muito mais rapidez do que um dispositivo clássico muito poderoso.
Em 2001, Isaac Chuang, chefeO grupo de pesquisa do laboratório IBM, professor adjunto do MIT e pioneiro no campo da computação quântica, construiu um computador quântico baseado em uma única molécula. Os resultados, publicados na Nature, representaram a primeira implementação experimental do algoritmo de Shor – um algoritmo de fatoração quântica (fatoração de um número em fatores primos) que permite fatorar um número no tempo.
Quando você tem muitos átomos, éparece uma grande floresta. Foi muito difícil controlar um átomo com o anterior. O desafio é implementar [o algoritmo] em um sistema que seja suficientemente isolado: ao mesmo tempo, ele deve permanecer mecânico quântico por tempo suficiente para que você possa realmente implementar todo o algoritmo.
Primeiro nome, ultimo nome
Os computadores quânticos são diferentes dos computadores comuns. São grandes cilindros de metal com fios trançados que são baixados para as unidades de refrigeração.
Eles podem ser usados para diferentes tarefas,incluindo cálculos em química e física ou para criar novos materiais. Outra área de aplicação de um computador quântico são questões de criptografia e segurança. Estas questões são sentidas de forma mais aguda pelas organizações financeiras e pelos bancos, o que não é surpreendente: recentemente tem havido escândalos sobre fugas de informação e pirataria informática.
As capacidades de um computador quântico permitirãotenha acesso a qualquer informação, então é hora de pensar em protegê-la com a ajuda de tecnologias relevantes ou usar um computador quântico para criar criptografia aprimorada.
O que significa "superioridade quântica"?
A supremacia quântica é a capacidade de resolver um problema que está além das capacidades dos supercomputadores mais modernos.
Nos últimos anos, um progresso significativo foi feitoalcançado no desenvolvimento de uma plataforma supercondutora. A essência da superioridade quântica reside no fato de que um computador quântico resolve rapidamente um problema para o qual um supercomputador clássico leva um tempo colossal.
A primeira descoberta aconteceu no final de outubro de 2019,quando o Google anunciou que havia desenvolvido o computador quântico Google Sycamore: segundo seus dados, o sistema deu conta da tarefa em 200 segundos, o que exigiria cerca de 10 mil anos de trabalho de supercomputadores clássicos. Isso é o que eles chamam de "superioridade quântica".
No entanto, o trabalho da empresa foi recebido com uma participaçãoceticismo e concorrentes da IBM calcularam que, de fato, o problema usado pode ser resolvido em alguns dias - o suficiente para uma vantagem, mas não para uma superioridade completa.
O próximo marco no desenvolvimento de computadores quânticoscaiu no início de dezembro de 2020. Em 4 de dezembro, soube-se que cientistas chineses criaram um protótipo de computador quântico "Jiuzhang", que lidava com o algoritmo de verificação padrão 10 bilhões de vezes mais rápido que Sycamore, um protótipo de 53 qubit de computador quântico do Google. A empresa disse que seu desenvolvimento também alcançou excelência quântica.
Cientistas testaram capacidade computacionalJiuzhang usando o algoritmo GBS especial. O sistema lidou com isso 100 trilhões de vezes mais rápido do que o supercomputador mais poderoso que existe. Além disso, os desenvolvedores disseram que o poder de computação de seu dispositivo é 10 bilhões de vezes maior do que o Sycamore.
Em 2001, Chuang, uma pioneira no campo do quantumcomputation, projetou um computador quântico baseado em uma única molécula que poderia ser mantida em superposição e manipulada por ressonância magnética nuclear para multiplicar o número 15. Os resultados, que foram publicados na Nature, representaram a primeira implementação experimental do algoritmo de Shor. Mas o sistema não era escalável; à medida que mais átomos foram adicionados, tornou-se mais difícil controlar o sistema.
Como os novos computadores quânticos serão usados?
Uma das aplicações mais importantes do quantumcomputador agora - decomposição em números primos. O fato é que toda criptografia moderna é baseada no fato de que ninguém pode decompor rapidamente um número de 30-40 dígitos (ou mais) em fatores primos. Em um computador típico, isso levará bilhões de anos. Um computador quântico pode fazer isso em cerca de 18 segundos.
Se assumirmos o fato de que a presença de um quantumdepois de um tempo, o computador se tornará uma norma social, caso em que não haverá segredos em todo o ciberespaço, já que qualquer algoritmo de criptografia pode ser hackeado imediatamente e obter acesso a qualquer coisa. Isso se aplica a tudo - desde transferências bancárias a mensagens no messenger.
Computadores quânticos também são ótimos paramodelar situações complexas, por exemplo, calcular as propriedades físicas de novos elementos no nível molecular. Isso, possivelmente, tornará possível encontrar novos medicamentos mais rapidamente ou resolver tarefas complexas que consomem muitos recursos.
O que mais ele pode fazer?
- Bancos de dados e pesquisa por eles.
Trabalhar com Big Data se tornará incrivelmente rápido.Shazam, roteamento, redes neurais, inteligência artificial – tudo isso receberá um impulso incrível. Também será possível construir modelos de interação de compostos proteicos complexos. Este será um passo muito importante para a medicina, abrindo oportunidades para a criação de futuros medicamentos, compreendendo como os diferentes vírus nos afetam, e assim por diante.
- Aplicações à criptografia.
Devido à tremenda velocidade de decomposição em simplesmultiplicadores um computador quântico permitirá a descriptografia de mensagens criptografadas pelo algoritmo criptográfico RSA amplamente utilizado. Até agora, esse algoritmo é considerado relativamente confiável, uma vez que uma maneira eficiente de fatorar números em fatores primos para um computador clássico é atualmente desconhecida. Graças ao algoritmo quântico de Shor, essa tarefa se torna bastante viável se um computador quântico for construído.
- Pesquisa em inteligência artificial.
Os computadores quânticos são, em teoria, uma boa opçãopara as necessidades de aprendizado de máquina. Eles manipulam grandes quantidades de dados em uma única passagem e são capazes de simular uma rede neural de tamanho exponencial. Em 2013, o Google Corporation anunciou a abertura de um laboratório de pesquisa quântica na área de inteligência artificial. A Volkswagen está conduzindo pesquisas sobre o uso de computadores quânticos para desenvolver carros autônomos e novos tipos de baterias (usando computadores quânticos do Google e D-Wave). Em novembro de 2018, a empresa anunciou o desenvolvimento de um sistema de gerenciamento de tráfego (com integração de veículos não tripulados), operando em computadores quânticos D-Wave.
- Modelagem molecular.
Supõe-se que usando quantumos computadores permitirão simular com precisão as interações moleculares e as reações químicas. As reações químicas são quânticas por natureza. Para computadores clássicos, o cálculo do comportamento de apenas moléculas relativamente simples está disponível. Segundo especialistas, a simulação em computadores quânticos abre novas perspectivas para o desenvolvimento da indústria química, em particular, na criação de medicamentos.
E quanto à Rússia?
A Rússia está ativamente envolvida na corrida quântica, sobreIsso foi escrito há cerca de um ano pela Nature. Um "roteiro para o desenvolvimento da computação quântica" também foi adotado. Em termos de status atual, a Rússia criou elementos-chave para todas as principais plataformas de computação quântica.
A próxima etapa é aumentá-los edemonstração de resolução de problemas com a ajuda deles. Deve-se notar que o programa está focado não apenas em hardware e processadores, mas também em software. Para o próximo avanço na computação quântica, ideias originais são definitivamente necessárias - um ponto tradicionalmente forte dos cientistas russos.
No final de novembro de 2020 soube-se decriação do consórcio National Quantum Laboratory (NKL). O consórcio, que incluiu estruturas da Rosatom, a Fundação Skolkovo e universidades, exportará tecnologias quânticas e desenvolverá infraestruturas. Mas a principal tarefa é criar um computador quântico.
Como parte do "roteiro" "Computação quântica"Prevê-se a construção de um centro de nanofabricação com uma área de 2 mil m2 no território de Skolkovo. m, bem como um complexo laboratorial avançado com uma área de mais de 3,5 mil metros quadrados. m.
Entre os principais indicadores especificados na "estradamap ”, que estão planejados para serem alcançados, incluindo através da criação do NCL, - até o final de 2024, os membros do consórcio devem criar sistemas de computação em várias plataformas quânticas com uma capacidade de 30 a 100 qubits, e registrar 40 patentes internacionais por ano.
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