Що таке квантовий комп'ютер
Основна відмінність квантових комп'ютерів від традиційних, транзисторних,
У класичному комп'ютері один біт може зберігатитільки число: нуль або одиницю. Квантова фізика, однак, допускає суперпозицію станів. Квантовий біт може перебувати в нульовому і одиничному станах одночасно - і це відкриває неймовірні можливості для надшвидких обчислень.
Для цього йому потрібні тисячі суперпотужнихпроцесорів. В результаті обчислення, на які у потужного ігрового комп'ютера піде тиждень, суперкомп'ютер виконує за день. Однак важливо, щоб програми працювали коректно, з урахуванням технічних особливостей машини. Інакше те, що коректно працює на 100 процесорах, сильно сповільниться на 200.
Квантові комп'ютери зберігають і обробляють даніза допомогою квантових бітів - кубітів. Останні можуть не тільки включатися і вимикатися, а й перебувати в перехідному стані або навіть бути включеними і вимкненими одночасно. Продовжуючи аналогію з лампочками: кубіт - це як світильник, який ви вимкнули, а він все одно продовжує моргати. Або кіт Шредінгера, який одночасно і живий, і мертвий.
Оскільки лампочки в квантовому комп'ютері одночасно горять і не горять, це заощаджує час. Тому він вирішує складні завдання набагато швидше за навіть дуже потужний класичний пристрій.
2001 року Айзек Чуанг, керівникдослідницької групи лабораторії IBM, ад'юнкт-професор MIT та піонер у галузі квантових обчислень, сконструював квантовий комп'ютер, заснований на одній молекулі. Результати, які були опубліковані в Nature, були першою експериментальною реалізацією алгоритму Шора — квантовий алгоритм факторизації (розкладання числа на прості множники), що дозволяє розкласти число за час.
Коли у вас надто багато атомів, цесхоже на великий ліс. Було дуже важко контролювати один атом за допомогою попереднього. Складність полягає в тому, щоб реалізувати [алгоритм] у системі, яка достатньо ізольована: одночасно вона повинна залишатися квантово-механічною досить довго, щоб у вас справді була можливість реалізувати весь алгоритм.
Ім'я прізвище
Квантові комп'ютери виглядають не так, як звичайні. Це великі циліндри з металу з закрученими проводами, які опущені в холодильні установки.
Вони можуть використовуватися для різних завдань,включаючи обчислення в галузі хімії та фізики або для створення нових матеріалів. Ще одна область застосування квантового комп'ютера – криптографія та питання безпеки. Ці питання найбільш гостро відчувають фінансові організації, банки, що не дивно: останнім часом тільки й гримлять скандали про витоки та зломи.
Можливості квантового комп'ютера дозволятьотримати доступ до будь-якої інформації, тому пора задуматися про її захист за допомогою релевантних технологій, або використанні квантового комп'ютера для створення поліпшеного шифрування.
Що означає формулювання «квантове перевагу»?
Квантове перевагу - здатність вирішити задачу, що знаходиться за межами можливостей найсучасніших суперкомп'ютерів.
В останні роки значний прогрес бувдосягнутий у розвитку надпровідникової платформи. Суть квантового переваги полягає в тому, що квантовий обчислювач оперативно вирішує завдання, на яку класичного суперкомп'ютера потрібно колосальне час.
Перший прорив стався в кінці жовтня 2019 року,коли в компанії Google заявили про те, що вони розробили квантовий комп'ютер Google Sycamore: за їхніми даними, система за 200 секунд впоралася із завданням, яка зажадає близько 10 тис. років роботи класичних суперкомп'ютерів. Ось це і назвали терміном «квантове перевагу».
Однак робота компанії була зустрінута з часткоюскепсису, а конкуренти з IBM підрахували, що на ділі використана завдання може бути вирішена і за пару днів - досить для переваги, але не для повноцінного переваги.
Наступна віха розвитку квантових комп'ютерівприпала на початок грудня 2020 року. 4 грудня стало відомо, що китайські вчені створили прототип квантового комп'ютера «Цзючжан», який впорався зі стандартним перевірочним алгоритмом в 10 млрд раз швидше, ніж Sycamore - 53-кубітний прототип квантового комп'ютера від компанії Google. У компанії заявили, що їх розробка також досягла квантового переваги.
Вчені перевірили обчислювальні здатності«Цзючжана» за допомогою спеціального алгоритму GBS. Система впоралася з ним в 100 трильйонів разів швидше найпотужнішого з існуючих суперкомп'ютерів. Крім того, розробники заявили, що обчислювальні можливості їх апарату в 10 млрд раз перевищують Sycamore.
У 2001 році Чуанг, піонер в області квантовихобчислень, сконструював квантовий комп'ютер, заснований на одній молекулі, яку можна було утримувати в суперпозиції і маніпулювати ядерним магнітним резонансом, щоб множити число 15. Результати, які були опубліковані в Nature, представляли собою перша експериментальна реалізація алгоритму Шора. Але система не була масштабованої; у міру додавання нових атомів управляти системою ставало все важче.
Як будуть використовуватися нові квантові комп'ютери?
Одне з найважливіших застосувань квантовогокомп'ютера зараз - розкладання на прості числа. Справа в тому, що вся сучасна криптографія заснована на тому, що ніхто не зможе швидко розкласти число з 30-40 знаків (або більше) на прості множники. На звичайному комп'ютері на це піде мільярди років. Квантовий комп'ютер зможе це зробити приблизно за 18 секунд.
Якщо допустити той факт, що наявність квантовогокомп'ютера через деякий час стане суспільною нормою, в такому випадку в усьому кіберпространестве НЕ буде таємниць, так як будь-які алгоритми шифрування можна буде відразу зламати і отримати доступ до будь-чого. Це стосується всього - від банківських переказів до повідомлень в месенджері.
Ще квантові комп'ютери відмінно підходять длямоделювання складних ситуацій, наприклад, розрахунку фізичних властивостей нових елементів на молекулярному рівні. Це, можливо, дозволить швидше знаходити нові ліки або вирішувати складні ресурсомісткі завдання.
Чим ще він може займатися?
- Бази даних і пошук по ним.
Робота з BigData стане неймовірно швидкою.Shazam, прокладання маршрутів, нейронні мережі, штучний інтелект – все це отримає неймовірний поштовх. Ще з'явиться можливість будувати моделі взаємодії складних білкових сполук. Це стане дуже важливим кроком для медицини, що відкриватиме простори для створення майбутніх ліків, розуміння того, як на нас впливають різні віруси і так далі.
- Додатки до криптографії.
Завдяки величезній швидкості розкладання на простімножники квантовий комп'ютер дозволить розшифровувати повідомлення, зашифровані широко застосовуваним криптографічним алгоритмом RSA. До сих пір цей алгоритм вважається порівняно надійним, так як ефективний спосіб розкладання чисел на прості множники для класичного комп'ютера в даний час невідомий. Завдяки квантовому алгоритму Шора це завдання стає цілком здійсненною, якщо квантовий комп'ютер буде побудований.
- Дослідження в галузі штучного інтелекту.
Квантові комп'ютери, в теорії, добре підходятьдля потреб машинного навчання. Вони маніпулюють великими обсягами даних за один прохід і здатні моделювати нейронну мережу експоненціального розміру. У 2013 році корпорація Google оголосила про відкриття лабораторії з квантовим досліджень в області штучного інтелекту. Концерн Volkswagen веде дослідження в сфері застосування квантових комп'ютерів для розробки безпілотного автомобіля і нових типів акумуляторних батарей (використовуючи квантові комп'ютери Google і D-Wave). У листопаді 2018 концерн оголосив про розробку системи управління дорожнім рухом (з інтеграцією в неї безпілотних машин), що працює з використанням квантових комп'ютерів D-Wave.
- Молекулярне моделювання.
Передбачається, що за допомогою квантовихкомп'ютерів стане можливим точне моделювання молекулярних взаємодій і хімічних реакцій. Хімічні реакції є квантовими за своєю природою. Для класичних комп'ютерів доступний обрахування поведінки тільки відносно простих молекул. За прогнозами експертів, моделювання на квантових комп'ютерах відкриває нові перспективи для розвитку хімічної галузі, зокрема, при створенні ліків
А що в Росії?
Росія активно включилася в квантову гонку, проце близько року тому написав Nature. Прийнята також «дорожня карта розвитку квантових обчислень». Якщо говорити про поточний статус, в Росії створено ключові елементи для всіх основних платформ квантових обчислень.
Наступний крок полягає в їх масштабування ідемонстрації рішення задач за допомогою них. Варто зазначити, що програма спрямована не тільки на «залізо» і процесори, але і на програмне забезпечення. Для наступного прориву в квантових обчисленнях безумовно необхідні оригінальні ідеї - традиційно сильна сторона російських вчених.
Наприкінці листопада 2020 року стало відомо простворення консорціуму «Національна квантова лабораторія» (НКЛ). Консорціум, до якого увійшли структури «Росатому», фонд «Сколково» та університети, займатиметься експортом квантових технологій та розвиватиме інфраструктуру. Але головне завдання – створити квантовий комп'ютер.
В рамках «дорожньої карти» «Квантові обчислення»планується побудувати на території Сколково центр нанофабрікаціі площею 2 тис. кв. м, а також передовий лабораторний комплекс площею понад 3,5 тис. кв. м.
Серед основних показників, зазначених в «дорожньоїкарті », яких планується досягти в тому числі за допомогою створення НКЛ, - до кінця 2024-го члени консорціуму повинні створити обчислювальні системи на різних квантових платформах потужністю від 30 до 100 кубітів, вийти на реєстрацію 40 міжнародних патентів на рік.
Читати також:
Льодовик «Судного дня» виявився небезпечніше, ніж думали вчені. розповідаємо головне
Подивіться на найбільший айсберг, який зняли з повітря
Китай вперше протестував «штучне Сонце»