X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Квантовый компьютер – вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. [1]

Еще в далёком 1965 году Гордон Мур говорил, что за год количество транзисторов, вмещающихся кремниевом микрочипе, увеличивается вдвое. Этот темп прогресса последнее время замедлился, удвоение происходит реже – раз в два года. Даже такой темп в ближайшем будущем позволит достигнуть транзисторам размеров с атом. С точки зрения физического строения транзистора он никак не может быть меньше атомарных величин. Увеличение размеров чипа проблему не снимает. Работа транзисторов связана с выделением тепловой энергии, и процессоры нуждаются в качественной системе охлаждения. Многоядерная архитектура также не решает вопрос дальнейшего роста. [2] До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий учёный Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоритической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями – квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки – квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в ХХI веке учёные вплотную приблизиться к созданию квантового компьютера. Зависимость компьютерных технологий растёт, постоянно растут вычислительные мощности, но настала пора признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом начал говорить знаменитый физик Ричард Фейнман: ещё в 1981 году на конференции он заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Всё дело в её квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо – привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то в качестве альтернативы Фейнман предложил использовать для расчётов физических систем квантовые компьютеры. [3]

Основное отличие квантового компьютера от классического заключается в представлении информации. В обычных компьютерах, работающих на основе транзисторов и кремниевых чипов, для обработки информации используется бинарный код. Бит, как известно, имеет два базовых состояния – ноль и единицу, и может находиться только в одном из них. Что же касается квантового компьютера, то его работа основывается на принципе суперпозиции, а вместо битов используется квантовые биты, именуемые кубитами. У кубита также имеется два основных состояния: ноль и единица. Однако благодаря суперпозиции кубит может принимать значения, полученные путём их комбинирования, и находиться во всех этих состояниях одновременно. В этом заключается параллельность квантовых вычислений, то есть отсутствие необходимости перебирать все возможные варианты состояний системы. Кроме того, для описания точного состояния системы квантовому компьютеры не нужны огромные вычислительные мощности и объёмы оперативной памяти, так как для расчёта системы из 100 частиц достаточно лишь 100 кубитов, а не триллион триллионов бит. Также стоит отметить, что изменение состояния определённого кубита в квантовом компьютере ведёт к изменению состояния других частиц, что является ещё одним отличием от обычного компьютера. И этим изменением можно управлять.

Процесс работы квантового компьютера был предложен британским физиком-теоретиком Дэвидом Дойчем в 1995 году, когда он создал цепочку, способную выполнять любые вычисления на квантовом уровне. Согласно его схеме, для начала берётся набор кубитов и записывается их начальные параметры. Затем выполняются необходимые преобразования с использованием логических операций и записывается полученное значение, которое и является результатом, выдаваемым компьютером. В роли проводов выступают кубиты, а преобразования совершают логические блоки. [4]

Рассмотрим детально процесс работы квантового компьютера. Обычная машина выполняет операции, используя классические биты, которые могут принимать значения 0 или 1. С другой стороны фотонный вычислительный аппарат использует когерентные биты или кубиты. Они могут принимать значения 1 и 0 одновременно. Именно это отдаёт такой вычислительной технике их превосходящую вычислительную мощь. Существует несколько типов исчислительных объектов, которые могут быть использованы в роли кубитов.

1.Фотон.

2.Ядро атома.

3.Электрон.

У всех электронов есть магнитное поле, как правило, они похожи на маленькие магниты и это их свойство называется спином (spin). Если их поместить в магнитное поле, они подстроятся под него также, как это делает компасная стрелка. Это положение самой низкой энергии, так что мы можем назвать его нулём или нижним спином. Но можно перенаправить электрон состояние «один» или в верхний спин. Но для этого необходима энергия. Если достать стекло из компаса, можно будет перенаправить стрелку в другом направлении, но для этого необходимо приложить силу. Есть две принадлежности: нижний и верхний спин, которые соответствуют классическим 0 и 1 соответственно. Но дело в том, что фотонные объекты могут находиться в двух положениях одновременно. Когда измеряется один спин, он будет либо верхним, либо нижним. Но до измерения электрон будет существовать в, так называемой, квантовой суперпозиции, в которой эти коэффициенты указывают относительную вероятность нахождения электрона в том или ином состоянии. Довольно сложно представить, как это даёт когерентным аппаратам их невероятную мощь, не рассматривая взаимодействие двух кубитов. Теперь существует четыре возможных состояния этих электронов. В типичном примере двух бит нужно только два бита информации. Так что два qubit содержит в себе четыре вида информации. А значит, надо знать четыре числа, чтобы знать положение системы. А если взять три спина, то получиться восемь разных положений, а в типичном варианте нужны будут три бита. Получается, что количество информации, содержащееся в N qubits, равно 2N типовых бит. Показательная функция говорит, что если, например, будет 300 кубитов, то придётся создать сумасшедшее-сложные суперпозиции, где все 300 qubit будут связаны между собой. Тогда получается 2300 классических бит, а это равно количеству частиц во все й вселенной. Отсюда следует, что требуется создать логическую последовательность, которая даст возможность получить такой результат исчислений, который можно будет измерить. То есть состоящий только из стандартных принадлежностей. Получается, что когерентная машина — это не замена обычным. Они быстрее только в вычислениях, где есть возможность использовать все доступные суперпозиции. [5]

Можно назвать 6 примеров, когда квантовые компьютеры будут очень полезны. В то время как сила квантовых вычислений впечатляет, это не означает, что существует программное обеспечение просто так работает миллиард раз быстрее. Скорее квантовые компьютеры тоже имеют определенного типа проблемы, некоторые из которых они хорошо решают, некоторые нет. Итак, рассмотрим основные сферы применения, в которых квантовые компьютеры должны будут выстрелить на все 100 %, когда станут коммерчески реализуемыми.

Искусственный интеллект. Основное применение квантовым вычислениям – это искусственный интеллект. ИИ основан на принципах обучения в процессе извлечения опыта, становится всё точнее по мере работы обратной связи, пока, наконец, не обзаводится «интеллектом», пусть и компьютерным. То есть самостоятельно обучается решению задач определённого типа. Эта обратная связь зависит от расчёта вероятности для множества возможных исходов, и квантовые вычисления идеально подходят для такого рода операций. ИИ, подкреплённый кантовыми компьютерами, перевернёт каждую отрасль, от автомобилей до медицины, и говорят, что ИИ станет для 21 века тем, чем электричество стало для двадцатого. К примеру, Google использует квантовый компьютер для разработки ПО, которое сможет отличать автомобили от дорожных знаков.

Молекулярное моделирование. Другой пример – это точное моделирование молекулярных взаимодействий, поиск оптимальных конфигураций для химических реакций. Такая «кантовая химия» настолько сложная, что с помощью современных цифровых компьютеров можно проанализировать только простейшие молекулы. Химические реакции квантовые по своей природе, поскольку образуют весьма запутанные квантовые состояния суперпозиции. Но полностью разработанные квантовые компьютеры смогут без проблем рассчитывать даже такие сложные процессы. Google уже совершает набеги на эту область, моделируя энергию водородных молекул. В результате получаются более эффективные продукты, от солнечных батарей до фармацевтических препаратов, и особенно удобрения; поскольку на удобрение приходиться 2% глобального потребления энергии, последствия для энергетики и окружающей среды будут колоссальными.

Критография. Большая часть систем кибербезопасности полагается на сложность факторинга больших чисел на простые. Хотя цифровые компьютеры, которые просчитывают каждый возможный фактор, могут с этим справиться, длительное время, необходимые для «взлома кода», выливается в дороговизну и непрактичность. Квантовые компьютеры могут производить такой факторинг экспоненциально эффективнее цифровых компьютеров, делая современные методы защиты устаревшими. Разрабатываются новые методы криптографии, которые, впрочем, требуют времени: в августе 2015 года NSA начало собирать список устойчивых к квантовым вычислениям криптографических методов, которые могли бы противостоять квантовым компьютерам, и в апреле 2016 Национальный институт стандартов и технологий начал публичный процесс оценки, которые продлится от четырёх до шести лет.

Финансовые моделирование. Современные рынки являются одними из самых сложных систем в принципе. Хотя разработаны много научных и математических инструментов для работы с ними, им по-прежнему недостаёт условия, которым могут похвастать другие научные дисциплины: нет контролируемых условий, в которых можно было бы провести эксперименты. Чтобы решить эту проблемы, инвесторы и аналитики обратились к квантовым вычислениям. Непосредственным их преимуществом является то, что случайность, присущая квантовым компьютерам, конгруэнтна стохастическому характеру финансовых рынков. Инвесторы зачастую хотят оценивать распределение результатов при очень большом количестве сценариев, генерируемых случайным образом.

Прогнозирование погоды. Главный экономит NOAA Родни Вейер утверждает, что при 30% от ВВП США (6 триллионов долларов) прямо или косвенно зависит от погодных условий, влияющих на производство продуктов питания, транспорт и розничную торговлю, среди прочего. Способность лучше предсказать погоду будет иметь огромное преимущество для многих областей, не говоря уж о дополнительном времени, которое понадобиться для восстановления от стихийных бедствий. Как отметил квантовый исследователь Сет Ллойд, «использование классического компьютера для такого анализа займёт столько времени, что погода успеет измениться». Поэтому Ллойд и его коллеги из MIT показали, что уравнения, управляющие погодой, имеют скрытую волновую природу, которую вполне удастся разрешить с применением квантового компьютера.

Физика частиц. Как ни странно, глубокое изучение физики с применением квантовых компьютеров может привести… к изучению новой физики. Модели физики элементарных частиц зачастую чрезвычайно сложные, требуют пространственных решений и задействуют много вычислительного времени для численного моделирования. Они идеально подойдут для квантовых компьютеров, и учёные положили на них глаз. Учёные Университета Инсбрука и Института Квантовой Оптики, и Квантовой информации (IQOQI) недавно использовали программируемую квантовую систему для подобных манипуляций с моделями. Для этого они взяли простую версию квантового компьютера, в котором ионы производят логические операции, базовые шаги в любом компьютерном расчёте. Моделирование показало прекрасное соглашение с реальными, описанными физикой, экспериментами. [6]

Список литературы:

HI-News Квантовые компьютеры. [Электронный ресурс]. URL: https://hi-news.ru/tag/kvantovye-kompyutery. (дата обращения 18.11.17)

Квантовые компьютеры - что это такое? Принцип работы и фото квантового компьютера. [Электронный ресурс]. URL: https://www.syl.ru/article/189279/new_kvantovyie-kompyuteryi---chto-eto-takoe-printsip-rabotyi-i-foto-kvantovogo-kompyutera. (дата обращения 10.12.17)

T&R Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен. [Электронный ресурс]. URL: https://theoryandpractice.ru/posts/13588-kvantovyy-komputer. (дата обращения 10.11.17)

HI-News Как это работает? | Квантовый компьютер. [Электронный ресурс]. URL: https://hi-news.ru/eto-interesno/kak-eto-rabotaet-kvantovyj-kompyuter.html. (дата обращения 15.12.17)

Квантовый компьютер. Принцип работы. [Электронный ресурс]. URL: https://www.rutvet.ru/kvantovyy-kompyuter-princip-raboty-9367.html. (дата обращения 22.10.17)

Шесть примеров, когда квантовые компьютеры нам очень помогут. [Электронный ресурс]. URL: https://hi-news.ru/computers/shest-primerov-kogda-kvantovye-kompyutery-nam-ochen-pomogut.html. (дата обращения 9.12.17)

Код для цитирования: Скопировать