1. зміст
2. Як працює квантовий комп'ютер?
3. Результат роботи квантового комп'ютера
4. Системні недоліки квантового комп'ютера
5. Перші спроби створення квантового комп'ютера
6. Розробки компанії D-Wave Systems
7. Де можуть стати в нагоді квантові комп'ютери?
8. Наскільки ми близькі до створення квантового комп'ютера?

Про квантових комп'ютерах багато пишуть, сперечаються, роблять нові відкриття. Але кого не спитай, що це таке, то не отримуєш чіткої відповіді. Давайте розберемося з цією темою.

Відповідно до визначення з Вікіпедії, квантовий комп'ютер являє собою обчислювальний пристрій, що використовує явища квантової суперпозиції і квантової заплутаності для передачі і обробки даних. Звучить заплутано і незрозуміло? Це тільки на перший погляд, хоча складних і незрозумілих термінів, пов'язаних з цією технологією ще дуже багато.

зміст

1. Як працює квантовий комп'ютер?
2. Результат роботи квантового комп'ютера
3. Системні недоліки квантового комп'ютера
4. Перші спроби створення квантового комп'ютера
5. Розробки компанії D-Wave Systems
6. Де можуть стати в нагоді квантові комп'ютери?
7. Наскільки ми близькі до створення КК?

Як працює квантовий комп'ютер?

Квантовий комп'ютер (КК) - це обчислювальний пристрій, який використовує явища квантової механіки для передачі і обробки даних. Ідея квантових обчислень була незалежно запропонована Юрієм Маніним і Річардом Фейнманом на початку 80-х років минулого століття. З тих пір була пророблена колосальна робота по їх створенню. Однак повноцінний універсальний квантовий комп'ютер все ще є гіпотетичним пристроєм, можливість розробки якого пов'язана з серйозним розвитком квантової теорії. До теперішнього моменту були створені поодинокі експериментальні системи з алгоритмом невеликий складності.

Основна відмінність квантового комп'ютера від класичного полягає в поданні інформації. У звичайних комп'ютерах, що працюють на основі транзисторів і кремнієвих чіпів, для обробки інформації використовується бінарний код. Біт, як відомо, має два базових стану - нуль і одиницю, і може перебувати тільки в одному з них. Що ж стосується квантового комп'ютера, то його робота ґрунтується на принципі суперпозиції, а замість бітів використовуються квантові біти, іменовані кубитами. У кубіта також є два основні стани: нуль і одиниця. Однак завдяки суперпозиції кубіт може приймати значення, отримані шляхом їх комбінування, і перебувати у всіх цих станах одночасно. У цьому полягає паралельність квантових обчислень, тобто відсутність необхідності перебирати всі можливі варіанти станів системи. Крім того, для опису точного стану системи квантовому комп'ютера не потрібні величезні обчислювальні потужності і обсяги оперативної пам'яті, так як для розрахунку системи з 100 частинок досить лише 100 кубітів, а не трильйон трильйонів біт.

При будь-якій зміні кубіта він змінює свій стан випадковим чином, а за рахунок наявності зв'язку між кубитами паралельно свої статки змінюють і пов'язані кубіти. Набір пов'язаних кубітів прийнято називати квантовим регістром, який за рахунок можливого безлічі комбінацій (суперпозиций) входять до нього кубітів значно інформативніше класичного бітового регістра. Безпосередньо спостерігати за станом кубіта або квантового регістра можна. У той же час кубіти можуть обмінюватися своїм станом і перетворювати його, що, власне, і дозволяє створити комп'ютер, який реалізує паралельні обчислення на фізичному рівні.

Також варто відзначити, що зміна стану певного кубіта в квантовому комп'ютері веде до зміни стану інших часток, що є ще однією відмінністю від звичайного комп'ютера. І цим зміною можна управляти. Процес роботи КК був запропонований британським фізиком-теоретиком Девідом Дойчем в 1995 році, коли він створив ланцюжок, здатну виконувати будь-які обчислення на квантовому рівні. Згідно з його схемою, для початку береться набір кубітів і записуються їх основні параметри. Потім виконуються необхідні перетворення з використанням логічних операцій і записується отримане значення, яке і є результатом, що видаються комп'ютером. У ролі проводів виступають кубіти, а перетворення роблять логічні блоки.

Спрощено схему обчислень на квантовому комп'ютері можна представити таким чином. В якусь систему кубітів записується початковий стан, а потім над нею відбуваються унітарні перетворення, що виконують функцію потрібних нам логічних операцій. Таким чином, в квантових алгоритмах і описується послідовність унітарних операцій (також званих Гейт або вентилями) із зазначенням - над якими саме кубитами їх треба здійснювати. Результатом роботи квантового алгоритму є підсумкове стан системи кубітів.

Результат роботи квантового комп'ютера

Результат роботи квантового комп'ютера буде носити імовірнісний характер. Однак, збільшуючи кількість унітарних операцій, ймовірність отримання правильного результату можна наблизити до одиниці. В теорії КК швидше класичних в експоненціальне число раз (алгоритм факторизації Шора), але при використанні алгоритму Гровера спостерігається лише квадратичний приріст продуктивності. Існують і інші квантові алгоритми, націлені на вирішення різноманітних завдань.

Але, незалежно від реалізованого алгоритму, використання технологій квантових обчислень дозволяє ефективно вирішувати завдання, що вимагають серйозної обчислювальної потужності. Наприклад, квантовому комп'ютера може виявитися під силу розшифрувати повідомлення, захищені асиметричним криптографічним алгоритмом RSA. Іншим можливим застосуванням КК можуть стати задачі моделювання фізичних процесів або обробка дуже великих обсягів даних.

Не можна не згадати і існування квантової теорії ігор, що є адаптацією класичної теорії ігор. Нагадаю, теорія ігор - це математичний метод вивчення оптимальних стратегій в іграх, де під грою розуміється процес, в якому беруть участь дві і більше сторін, які ведуть боротьбу за реалізацію своїх інтересів. У кожної зі сторін є своя мета, для досягнення якої реалізується певна стратегія, яка може вести до виграшу або програшу, в залежності від поведінки інших гравців. При цьому теорія ігор допомагає вибрати найкращі стратегії з урахуванням уявлень про інших учасників, їх ресурсах і їх можливих вчинках.

У квантовій теорії ігор класичний біт (т. Е. Вибір одного з двох варіантів, наприклад, так чи ні) замінюється кубітом, який є квантової суперпозицією базових станів. З урахуванням пов'язаності кубітів будь-яка операція, вироблена над одним з них, може вплинути і на інші. Таким чином, розв'язка гри може виявитися досить несподіваною.

Системні недоліки квантового комп'ютера

Втім, у квантових комп'ютерів є і системні недоліки, навіть якщо не брати до уваги складність фізичної реалізації. По-перше, як уже згадувалося, результат квантових обчислень носить імовірнісний характер. По-друге, зовнішні впливи, наприклад, магнітні поля, можуть зруйнувати квантову систему або внести в неї спотворення. Не варто забувати і про складнощі зчитування стану квантових регістрів. Однак всі ці складнощі не лякають не тільки вчених, але й комерційні компанії, все активніше цікавляться темою КК.

Перші спроби створення квантового комп'ютера

Звичайно, реалізація повноцінного квантового комп'ютера вважається однією з фундаментальних завдань фізики XXI століття, але певні позитивні зрушення в цьому питанні вже є. У 1998 році вчені з Массачусетського технологічного інституту змогли розділити один кубіт між трьома ядерними спинами в кожній молекулі рідкого аланина або молекули тріхлороетілена (нагадаю, в квантових комп'ютерах носіями інформації можуть бути атоми, іони, фотони або електрони). У березні 2000 року вчені з Національної лабораторії в Лос Аламосі оголосили про успішне створення квантового комп'ютера з 7 кубитами. Роком пізніше, в 2001, фахівці IBM продемонстрували обчислення алгоритму Шора на 7-кубітном комп'ютері.

У 2005 році групою дослідників з Московської лабораторії надпровідності під керівництвом Ю. Пашкіна за допомогою японських фахівців був побудований 2-кубітний квантовий комп'ютер на надпровідних елементах. Запам'ятався 2005 рік і іншим досягненням - вченим з інституту квантової оптики і квантової інформації при Іннсбрукском університеті вдалося створити кубайт (реєстр з 8 кубітів). У листопаді 2009 року фізикам з Національного інституту стандартів і технологій в США вдалося створити 2-кубітний програмований квантовий комп'ютер.

До речі, запропоноване Пашин використання надпровідності для квантових комп'ютерів виявилося вельми перспективним. У лютому 2012 року фахівці компанії IBM заявили про серйозний прорив у справі створення кубітів на надпровідних елементах. Робоча температура подібних квантових комп'ютерів складає десятки мікрокельвіна. Відповідно, йому потрібна вкрай ефективна система охолодження, що працює на спеціальній суміші ізотопів гелію-3 і гелію-4. Втім, технологічно отримання таких низьких температур відмінно опрацьовано вже зараз.
У квітні 2012 групі дослідників з Південно-Каліфорнійського університету, Технологічного університету Дельфта, університету штату Айова і Каліфорнійського університету Санта-Барбара, вдалося побудувати двохкубітні квантовий комп'ютер на кристалі алмаза (з домішками), який може працювати при кімнатній температурі і теоретично є масштабованим.

Розробки компанії D-Wave Systems

Окремо увагу заслуговує компанія D-Wave Systems, яка в 2007 році продемонструвала 16-кубітний комп'ютер Orion, а в листопаді того ж року - 28-кубітний комп'ютер.

У травні 2011 року їй же був показаний 128-кубітний комп'ютер D-Wave One, а в кінці 2012 року - комп'ютер на 512 кубітів. При цьому D-Wave One є комерційно доступним продуктом, його ціна становить $ 11 млн. Втім, навіть якщо не звертати уваги на високу ціну, сфера застосування комп'ютерів D-Wave поки досить обмежена, в основному мова йде про завдання дискретної оптимізації.

Причому багато дослідників не вважають комп'ютери D-Wave справжніми квантовими обчислювальними машинами, заявляючи про зайве скромному прирості продуктивності щодо класичних систем і сумніваються в наявності в комп'ютерах D-Wave заплутаності кубітів, що є одним з фундаментальних принципів побудови квантових комп'ютерів. Втім, в січні 2014 року вчені D-Wave опублікували статтю, яка підтверджує наявність у комп'ютерах D-Wave квантової когерентності і заплутаності між окремими підгрупами кубітів (розміром 2 і 8 елементів) в процесорі під час проведення обчислень.

Де можуть стати в нагоді квантові комп'ютери?

Основне застосування квантових обчислень - це штучний інтелект. ІІ заснований на принципах навчання в процесі вилучення досвіду, стає все точніше в міру роботи зворотного зв'язку, поки, нарешті, не обзаводиться «інтелектом», нехай і комп'ютерним. Тобто самостійно навчається вирішення завдань певного типу.

Наприклад, Lockheed Martin планує використовувати свій квантовий комп'ютер D-Wave для випробувань програмного забезпечення для автопілота, яке занадто складне для класичних комп'ютерів, а Google використовує квантовий комп'ютер для розробки ПО, яке зможе відрізняти автомобілі від дорожніх знаків. Ми вже досягли точки, за якою ІІ створює більше ІІ, і його сила і величина буде тільки рости.

Інший приклад - це точне моделювання молекулярних взаємодій, пошук оптимальних конфігурацій для хімічних реакцій. Така «квантова хімія» настільки складна, що за допомогою сучасних цифрових комп'ютерів можна проаналізувати лише найпростіші молекули.

Квантові комп'ютери можуть виробляти такий факторинг експоненціально ефективніше цифрових комп'ютерів, роблячи сучасні методи захисту застарілими. Розробляються нові методи криптографії, які, втім, вимагають часу: в серпні 2015 року NSA почало збирати список стійких до квантових обчислень криптографічних методів, які могли б протистояти квантових комп'ютерів, і в квітні 2016 Національний інститут стандартів і технологій почав публічний процес оцінки, який триватиме від чотирьох до шести років.

Хартмут Невен, директор з розробок в Google, зазначив, що квантові комп'ютери можуть також допомогти в створенні більш досконалих кліматичних моделей, які могли б дати нам більш глибоке уявлення про те, як люди впливають на навколишнє середовище. На основі цих моделей ми вибудовуємо наші уявлення про майбутнє потепління, і вони допомагають нам визначати кроки, які потрібні для запобігання стихійним лихам.

Як не дивно, глибоке вивчення фізики із застосуванням квантових комп'ютерів може привести ... до вивчення нової фізики. Моделі фізики елементарних частинок часто надзвичайно складні, вимагають розлогих рішень і задіють багато обчислювального часу для чисельного моделювання. Вони ідеально підійдуть для квантових комп'ютерів, і вчені вже поклали на них око.

Наскільки ми близькі до створення квантового комп'ютера?

Звичайно, сперечатися про істинність квантової суті комп'ютерів D-Wave можна скільки завгодно, але не можна не визнати, що інтерес до квантових комп'ютерів є як у вчених по всьому світу, так і великих корпорацій. У тому числі і у Google (команда проекту Google Quantum AI), яка збирається за допомогою квантових комп'ютерів вирішити завдання, які неможливо або недоцільно вирішувати за допомогою класичних обчислювальних пристроїв.

Гонка в самому розпалі. Провідні компанії світу намагаються створити перший квантовий комп'ютер, в основі якого лежить технологія, давно обіцяє вченим допомогти в розробці чудових нових матеріалів, ідеальному шифруванні даних і точному прогнозуванні змін клімату Землі. Така машина напевно з'явиться не раніше ніж через десять років, але це не зупиняє IBM, Microsoft, Google, Intel і інших. Вони буквально поштучно викладають квантові біти - або кубіти - на процесорному чіпі. Але шлях до квантових обчислень включає багато більше, ніж маніпуляції з субатомними частинками.

Зараз ця сфера активно розвивається, хоча поки і не має практичного застосування. Але через цю стадію пройшли багато технологій, які стали невід'ємною частиною нашого життя. Тим більше, що вчені дивляться в майбутнє з великим оптимізмом.