Квантовые компьютеры – вычислительные машины будущего!

Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер – термин, с которым сегодня можно достаточно часто столкнуться на страницах различных интернет-изданий, посвященных высоким технологиям, Всемирной паутине и компьютерной технике. При этом немногие понимают, что именно представляет собой это уникальное устройство, как оно работает, насколько мощное и где именно оно применяется. На эти и другие вопросы постараемся дать подробные ответы в нашей статье.

Секрет невероятной мощности

Фундаментом для работы квантового компьютера служат законы квантовой механики. Некоторые таинственные явления, изучаемые этим разделом науки, дают возможность разработать машины, которые по своей вычислительной мощности способны превзойти даже наиболее мощные современные и будущие суперкомпьютеры.

Важно понимать, что наступление эры квантовых компьютеров вовсе не означает конец применению обычных, традиционных вычислительных устройств. Они по-прежнему будут играть важную роль в жизни людей, оставаясь простым и экономичным способом решения многих задач. Однако квантовые машины обещают невероятные открытия в различных областях науки и медицины. Уже сегодня некоторые технологические компании, используя их, пытаются создать более легкие и мощные батареи для электромобилей, а также разработать новые лекарственные препараты.

Потрясающая мощность квантовых компьютеров обусловлена их способностью генерировать так называемые кубиты и управлять ими.

Кубиты – мистические частицы

Кубиты

Биты, применяемые в классических компьютерах, представляют собой поток электрических либо оптических импульсов, равных 1с или 0с. Сообщения в социальных сетях, электронные письма, видеоролики на YouTube, аудиозаписи на iTunes – все это и многое другое есть не что иное, как длинные строки двоичного кода.

Кубиты (квантовые биты) – это субатомные частицы (фотоны и электроны), которые используются квантовыми компьютерами. Очень сложно генерировать кубиты, а также манипулировать ими. Можно смело утверждать, что это является настоящим искусством в науке и технике. В ряде компаний (IBM, Google и Rigetti Computing) применяют сверхпроводящие схемы, которые охлаждают до очень низких температур, меньших, чем в дальнем космосе. В других же компаниях (например, IonQ) отдельные атомы держат в специальных высоковакуумных камерах под воздействием электромагнитного поля, поместив их на кремниевый чип. Главная задача исследователей – управлять кубитами, изолировав их в квантовом состоянии.

У кубитов есть уникальные, в какой-то степени мистические квантовые свойства. Используя их, можно достигнуть с определенным числом кубитов очень большой вычислительной мощности. Ее значение будет превышать значение мощности, полученной с помощью такого же числа двоичных битов. Этими необычными свойствами являются суперпозиция и запутывание.

Один кубит – несколько состояний

Суперпозиция определяется как способность кубитов одновременно находиться во множестве состояний, формируя различные комбинации 1 и 0. Ученые создают суперпозицию кубитов, управляя ими с помощью высокоточных лазеров либо же микроволнового излучения.

Суперпозиция нескольких кубитов дает возможность квантовому компьютеру одновременно обрабатывать невероятно большое количество возможных результатов вычисления. Окончательный результат получают после измерения кубитов, а это разрушает их квантовое состояние, равное 1 либо 0.

«Пугающее» запутывание

У исследователей имеется возможность создать пару «запутанных» кубитов, когда два ее члена находятся в одном квантовом состоянии. Изменив состояние одного кубита, можно единовременно и предсказуемо изменить состояние другого, даже если они удалены друг от друга на громадное расстояние.

Природа запутывания кубитов до сих пор не разгадана. Великий Эйнштейн называл его «пугающим действием на расстоянии». Однако именно в понимании явления запутывания лежит секрет мощности квантовых вычислительных машин. Производительность традиционного компьютера можно удвоить, увеличив в два раза число бит. В квантовом же компьютере, добавив дополнительные кубиты, можно увеличить величину его мощности экспоненциально. Это обусловлено запутанностью.

Квантовые машины способны творить настоящее волшебство, фантастическим образом ускоряя вычисления с помощью запутанных кубитов и специальных квантовых алгоритмов. Именно это определяет столь высокий интерес к ним со стороны исследователей во всем мире. Однако у квантовых компьютеров есть один существенный недостаток – так называемая декогенерация. Она приводит к тому, что квантовые устройства делают больше ошибок, чем обычные компьютеры.

Исчезновение кубитов. Ошибки квантовых вычислений

Декогенерация – это, по сути, затухание и полное исчезновение квантового состояния кубитов, которое происходит в процессе их взаимодействия со средой. Это состояние крайне хрупкое, оно может исчезнуть из-за малейших вибраций либо колебаний окружающей температуры (так называемого «шума»). Кубиты выходят из суперпозиции, не выполнив свою работу. Чтобы не допустить декогенерации, исследователи стремятся полностью изолировать кубиты, помещая их в вакуумные и переохлажденные камеры.

Однако полностью устранить шум пока еще не удалось. В результате, в расчетах квантовых аппаратов случаются ошибки. Их можно некоторым образом компенсировать, увеличив число кубитов в квантовых алгоритмах. Однако требуются тысяч обычных кубитов, чтобы создать единственный («логический») кубит с высоким уровнем надежности. Это неизбежно приведет к уменьшению вычислительного потенциала квантового компьютера.

Кроме того, на сегодняшний день максимальное количество стандартных кубитов, которое ученым удается сгенерировать, равняется 128. Это означает, что до массового выпуска квантовых машин пройдет еще немало лет. А началом этому послужит демонстрация так называемого «квантового превосходства».

Стремление превзойти обычный суперкомпьютер

Квантовое превосходство наступит в тот момент, когда квантовый компьютер произведет вычисление, которое не под силу классическому суперкомпьютеру самой большой мощности.

Пока еще не определено, какое именно количество кубитов необходимо для достижения этой цели. Это обусловлено тем, что разработчики не перестают создавать новые алгоритмы, увеличивающие производительность традиционных компьютеров. К тому же, аппаратные возможности суперкомпьютеров все время растут. Однако исследователи в области квантовых вычислительных устройств не успокаиваются. Они проводят эксперименты на базе самых мощных в мире суперкомпьютеров, стремясь однажды достичь квантового превосходства.

Сегодня в научной среде не утихают споры о том, насколько важным является достижение этого рубежа. Не дожидаясь наступления квантового превосходства, некоторые крупные технологические компании (IBM, Rigetti и D-Wave) уже проводят эксперименты с квантовыми машинами. Китайский гигант Alibaba предлагает коммерческий доступ к своим квантовым ресурсам. Какие-то корпорации приобретают квантовые компьютеры, а некоторые – используют эти устройства посредством сервиса облачных вычислений.

Применение квантового компьютера сегодня и в будущем

Квантовые компьютеры имеют большие перспективы о сфере моделирования поведения вещества, в том числе на молекулярном уровне. Так, знаменитые автомобильные гиганты Volkswagen и Daimler применяют эти устройства для моделирования химического состава батарей электромобилей и поиска новых решений для улучшения их технических свойств. В фармацевтике квантовые компьютеры применяются для изучения и анализа веществ, на основе которых разрабатываются новые лекарственные препараты.

Эти уникальные машины могут использоваться для оптимизации различных операций, позволяют найти лучшее решение во многих вопросах. Компания Airbus, один из крупнейших в мире производителей авиационной техники, применяет квантовые компьютеры для расчета самых экономичных путей взлета (снижения) самолетов. Концерн Volkswagen недавно продемонстрировал сервис, который способен определить наиболее оптимальные маршруты для общественного транспорта с целью уменьшить заторы в городах. Ряд исследователей полагает, что квантовые устройства способны ускорить искусственный интеллект.

Что ж, пока еще возможности квантовых компьютеров полностью не раскрыты. Научно-исследовательские центры, университеты и IT-корпорации, занимающиеся разработкой этих машин, ощущают дефицит квалифицированных кадров, а также отсутствие производителей ряда важнейших компонентов. Но со временем эти проблемы будут решены. Важно понимать одно: если эти невероятные вычислительные аппараты оправдают себя, они создадут новые направления высокотехнологичного промышленного производства, а также привнесут в жизнь людей инновационные технологии и потрясающие новшества.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *