Квантовые компьютеры: что это и для чего нужны

Из курса информатики мы знаем, что любая вычислительная техника основана на двоичной системе счисления. Это значит, что все данные переводятся в 0 и 1, и именно в таком виде хранятся в памяти. Подобный принцип обращения и хранения данных продиктован аппаратной частью. Несколько иначе работает квантовый компьютер, о котором дальше и пойдет речь.

Принцип работы квантового компьютера

В последнее время в заголовках журналов все чаще можно увидеть квантовые компьютеры. Они призваны взять на себя решения сложных задач, с которыми обычный компьютер либо не способен справиться, либо не может это сделать в отведенное время. Особенно в обращении с массивными данными Big Data.

Во время работы с большими объемами данных обычному компьютеру (по причине работы в двоичной системе счисления) приходиться тратить много времени, чтобы перебрать все возможные исходы и найти тот вариант, который в полной мере соответствует заявленным требованиям.

Еще в 80-х годах прошлого века ученые стали задумываться над поиском решения задачи, связанной с переборкой огромного количества данных в максимально короткие сроки. Именно такой алгоритм работы используют суперкомпьютеры. Чуть позже появилась идея поиска способа получения нужной комбинации без перебора всех возможных вариантов. Решением стали квантовые вычисления. .

В 1984 году появляется схема квантового компьютера. Разрабатывают аналог логического элемента – квантовый вентиль. Особенностью квантового компьютера стало наличие кубитов. Это уникальные квантовые объекты, имеющие настолько маленькие размеры, что подчиняются всем законам квантового мира. Отличительная черта квантового объекта – способность находиться одновременно в двух состояниях. Это невозможно в случае с классической ячейкой памяти. Когда квантовый объект (кубит) находится в двух состояниях, говорят, что он в “суперпозиции”.

Чтобы лучше понять принцип суперпозиции, представьте монету в полете. С приземлением монеты выпадает только одна сторона – орел или решка. Суперпозиция – это нахождение монеты в воздухе, то есть в положении орла и решки. Какая сторона в итоге выпадет, зависит от вероятности, которую можно задать прямо. Что это все означает? А означает это одно: квантовые вычисления устроены таким образом, что способны получать все задачи одновременно и параллельно их решать. Там, где у обычного компьютера одна операция, у квантового – сразу несколько.

Как устроен квантовый компьютер

Основным элементом такого компьютера является квантовый процессор. Он состоит из кубитов, которые, в свою очередь, могут быть реализованы различными способами, например, на основе квантовых точек, сверхпроводников или ионов. Кубиты могут быть связаны друг с другом, образуя квантовые цепи, и управляться с помощью микроволновых импульсов.

Кроме процессора устройство включает и другие компоненты, например, квантовый регистр. Он используется для хранения информации. Представьте классический регистр, находящийся только в одном из двух состояний, и квантовый, находящийся во всех положениях одновременно. За счет этого получить результат обработки данных можно практически мгновенно.

Компьютер работает с помощью квантовых алгоритмов, способных решать задачи, являющиеся математически сложными для классических вычислительных машин. Такие алгоритмы устанавливают порядок обработки информации на квантовом процессоре, а также задействуют квантовую суперпозицию и запутывание для решения задач быстрее, чем классический аналог.

Помимо алгоритмов есть устройство для управления и измерения состояний кубитов и механизм, отвечающий за коррекцию ошибок. Квантовые компьютеры являются сложными устройствами и требуют высокоточных настроек, а для управления ими нужные особые навыки.

Основным элементом такого компьютера является квантовый процессор. Он состоит из кубитов, которые, в свою очередь, могут быть реализованы различными способами, например, на основе квантовых точек, сверхпроводников или ионов. Кубиты могут быть связаны друг с другом, образуя квантовые цепи, и управляться с помощью микроволновых импульсов.

Кроме процессора устройство включает и другие компоненты, например, квантовый регистр. Он используется для хранения информации. Представьте классический регистр, находящийся только в одном из двух состояний, и квантовый, находящийся во всех положениях одновременно. За счет этого получить результат обработки данных можно практически мгновенно.

Компьютер работает с помощью квантовых алгоритмов, способных решать задачи, являющиеся математически сложными для классических вычислительных машин. Такие алгоритмы устанавливают порядок обработки информации на квантовом процессоре, а также задействуют квантовую суперпозицию и запутывание для решения задач быстрее, чем классический аналог.

Помимо алгоритмов есть устройство для управления и измерения состояний кубитов и механизм, отвечающий за коррекцию ошибок. Квантовые компьютеры являются сложными устройствами и требуют высокоточных настроек, а для управления ими нужные особые навыки.

Где полезны квантовые вычисления?

Квантовые компьютеры могут быть использованы для решения задач, которые являются вычислительно сложными даже для суперкомпьютеров. Например, они могут использоваться для моделирования сложных молекулярных систем, что имеет большое значение в химии, фармацевтике и т.д. Также их способности высоко ценятся для оптимизации и распределения ресурсов, разработки новых алгоритмов для криптографии и безопасности.

В 2019 году Google заявил о достижении так называемого «квантового превосходства», когда их квантовый компьютер смог решить задачу, с которой за отведенное время не смог справиться суперкомпьютер с классическими алгоритмами вычисления. Причина в том, что квантовые компьютеры работают иначе, хоть и созданы для решения схожих задач. .

Сегодня известно множество компаний и организаций, работающих над разработкой квантовых компьютеров, – IBM, Microsoft, Intel, Google, Rigetti Computing. Эти компании сотрудничают с университетами и научными центрами по всему миру, чтобы улучшить технологии, необходимые для разработки и использования потенциала квантовых вычислений.

Область применения квантовых компьютеров:

1. Расшифровка данных. Идеально подходят для расшифровки зашифрованных данных. Используется алгоритм Шора для факторизации больших и простых чисел, являющихся основой криптографии для защиты данных.
2. Моделирование и симуляция. Работают со сложными физическими системами, которые трудно моделировать с помощью классических компьютеров. Сюда относится моделирование молекулярных структур и сложных химических реакций.
3. Машинное обучение. Подходят для обработки больших объемов данных и оптимизации многих задач машинного обучения, таких как классификация и кластеризация.
4. Оптимизация. Являются оптимальным решением оптимизации сложных систем, таких как транспортные и логистические сети, сети связи и электроэнергетические системы.
5. Биоинформатика. Решение для анализа и обработки больших объемов биологических данных (геномы).

Исходя из вышесказанного, легко сделать вывод о том, что квантовые вычисления могут быть крайне полезны в современной медицине и фармацевтике.

Уже сегодня квантовое моделирование помогает медикам в разработке вакцин для защиты от распространенных инфекций (в частности CoVid-19) и лекарств от опасных заболеваний: гепатит, туберкулез, рак. Местом их работы также становятся научные центры, государственные подразделения, академические и промышленные проекты. .

Посредством моделирования специалистам удается оптимизировать городской транспортный трафик или потоки данных в сети. Сфера применения таких вычислительных машин постоянно увеличивается.

Есть ли у квантовых вычислений недостатки?

Казалось бы, квантовый компьютер – идеальная вычислительная машина, но, как известно, в мире нет ничего идеального.

Среди его недостатков эксперты отмечают:

1. Высокая стоимость. Требуется много денег на разработку и производство, а также на энергопотребление и охлаждение.
2. Специализированные знания. Чтобы успешно взаимодействовать с ним, нужные специалисты с особыми навыками и способностями, знающие, как работать с системой, как правильно использовать программное обеспечение.
3. Сложность программирования. Приложения должны быть распределены по множеству процессоров и памяти, их необходимо координировать для получения высокой производительности. Из-за сложности архитектуры квантовой техники увеличивается время на оптимизацию приложения.
4. Энергопотребление и охлаждение. Такие машины потребляют много энергии и генерируют много тепла. Для управления тепловой нагрузкой необходимо эффективное охлаждение, что крайне дорого и сложно в реализации.

Для стабильной работы и высокой производительности квантовый компьютер должен работать в определенных условиях. Особую значимость занимает температура окружающей среды: для каждого уровня машины нужен собственный микроклимат.

С увеличением или уменьшением температуры вычислительная машина становится бесполезной. Предотвратить перегрев помогает система охлаждения на основе жидкого гелия. Интересен и тот факт, что квантовый компьютер не может работать без обычных вычислительных машин. Последние нужны для его обслуживания и поддержания работоспособного состояния.

Охлаждающие системы необходимы для стабилизации атомов. Единственный способ их поддержки в таком состоянии – пониженная до нуля Кельвина температуры. Этот показатель равен -273,15 градусов Цельсия. .

Какой вывод можно сделать?

Квантовый компьютер пока не может заменить более привычный суперкомпьютер, который успешно справляется с огромным пластом задач. До конца не совсем понятен потенциал и возможности, которые могут предложить квантовые вычисления. Однако без таких машин сложно представить будущее. Устранение их недостатков является одной из первоочередных задач, что позволит использовать квантовые вычисления в будущем еще более эффективно.