Квантовый компьютер: что такое и зачем нужны

О чем речь? Квантовый компьютер может справиться с решением поставленной ему задачи меньше, чем за секунду, тогда как обычный компьютер будет находить решение несколько миллионов лет. Однако насколько востребована такая функция в обычной жизни?

На что обратить внимание? Этот материал поможет вам разобраться в кубитах, их физических платформах и алгоритмах, по которым функционирует квантовый компьютер. Из этой статьи вы также узнаете, каким образом моделируются квантовые системы, позволяющие выходить далеко за пределы науки.

Что такое квантовый компьютер

В самом простом понимании квантовый компьютер представляет собой устройство, которое работает на базе следующих законов и принципов квантовой механики:

• Принцип суперпозиции – фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому микрочастица может находиться во всех возможных состояниях одновременно. Примером данного закона является известный всему миру Кот Шрёдингера – мысленный эксперимент, который предложил в 1935 году один из основателей квантовой механики.
• Принцип запутанности, согласно которому состояния двух или нескольких микрочастиц взаимозависимы друг от друга. То есть смена состояния одной микрочастицы моментально вызывает изменение состояния другой независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Квантовая телепортация может служить примером действия данного закона.
• Закон Борна, который рассчитывает вероятность того, что измерение квантовой системы позволит получить какой-либо определённый результат.
• Теория вероятности – основополагающий закон квантовой механики, согласно которому все явления рассматриваются не как видимая данность, а как вероятность того, что каждое из этих явлений может произойти.

Достоинства, которыми обладают квантовые компьютеры:

• Высокий уровень параллелизма: в привычных нам персональных компьютерах бит в один момент времени может принимать одно из двух значений (0 либо 1), в квантовом компьютере кубит одновременно может являться как 0, так и 1. Благодаря этому расчёт всех возможных комбинаций решения задачи осуществляется параллельно и одномоментно на уровне физики.
• Высокий уровень масштабируемости, который достигается благодаря тому, что прирост производительности квантового компьютера при добавлении каждого последующего кубита растёт экспоненциально. Говоря простыми словами, 2-кубитный компьютер в два раза производительнее 1-кубитного, 3-кубитный производительнее уже в 8 раз, 4-кубитный мощнее уже в 16.

Узнай, какие ИТ - профессии
входят в ТОП-30 с доходом
от 210 000 ₽/мес

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.

Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее будущее!

Скачивайте и используйте уже сегодня:

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023

Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда

Подборка 50+ бесплатных нейросетей для упрощения работы и увеличения заработка

Только проверенные нейросети с доступом из России и свободным использованием

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

Список проверенных ресурсов реальных вакансий с доходом от 210 000 ₽

Получить подборку бесплатно

pdf 3,7mb

doc 1,7mb

Уже скачали 32472

Квантовые компьютеры не лишены и недостатков:

• Малейшее вмешательство в действующую квантовую систему вызывает шумы и, как следствие, колебание всей системы, что неизменно приводит к ошибкам в расчётах. Важно уделять внимание дополнительному анализу и обработке полученных первичных результатов.
• Ошибки в расчётах также связаны с тем, что в основе функционирования любых квантовых процессов и явлений лежит теория вероятности, соответственно, получить точность в 100 % так же невозможно, как и получить 100 % вероятность того или иного события. Чем большую точность в расчётах вы желаете получить, тем большее число одних и тех же вычислений придётся проводить повторно огромное множество раз.

Биты и кубиты

Работа классического компьютера основана на понятии «бит». Это единица измерения информации, которая может принимать одно из двух значений: либо 0, либо 1. Разберём принцип его действия на понятном примере.

Любой компьютер оснащён транзистором – электронным компонентом, который управляет высоким током с помощью низкого. Давайте представим, что транзистор – это кран на водопроводной трубе. Если его включить – вода начнёт литься, если его выключить – вода перестанет бежать.

Только вместо воды в транзисторе электричество. Причём его включение и выключение полностью зависит от электричества. То есть система представляет собой множество кранов, соединённых между собой таким образом, что включённая вода из одного крана может включать либо выключать воду из другого.

Такие вычисления могут производиться с высокой скоростью благодаря тому, что транзисторов огромное количество (несколько миллиардов), а скорость их работы приближается к значению скорости света.

Всё, что обычный пользователь видит на экране персонального компьютера, является результатом подобных вычислений. Папки, изображения, документы – всё это представляет собой производные от простого математического сложения и вычитания, то есть включения и выключения тех самых кранов с электрическим током с высочайшей скоростью.

Транзистор – это и есть бит. Он может иметь значение 0 либо 1, то есть «выключен» либо «включен». Бит – это минимальная единица измерения информации в классическом компьютере. Бит может располагаться где угодно: в ядре процессора, на чипе оперативной памяти, на жёстком диске. Бит представляет собой некое физическое пространство, которое находится либо во включенном, либо в выключенном состоянии.

Определить состояние бита можно по наличию либо отсутствию в нём заряда электрического тока. То есть переходных состояний у бита нет: либо он включен (в нём находится заряд), либо выключен (заряд в нём отсутствует).

Квантовый компьютер в качестве единицы измерения информации использует кубиты – квантовые микрочастицы, которые помимо стандартных значений 0 и 1 могут принимать также значения между 0 и 1.

Почему делать кубиты сложно

Для создания одного рабочего кубита необходимо задействовать один атом, зафиксировать его в определённом положении, полностью защитить от влияния внешних излучений и соединить с другим таким же атомом с помощью специальной квантовой связи.

Чем большее количество таких кубитов связывается друг с другом, тем меньшей стабильностью обладает их работа. Для получения «квантового превосходства» над классическим компьютером, необходимо задействовать 49 кубитов. А такое число кубитов формирует крайне неустойчивую систему.

То есть любое явление окружающей природы (будь то температурные колебания, радиация или что-то другое) способно создать «фазовый шум», который заставляет кубиты принимать ограниченные значения, тем самым нивелируя превосходство над обычным пользовательским компьютером. Причём такой квантовый компьютер будет работать гораздо менее производительно и очень медленно.

Одно из решений данной проблемы было предложено компанией D-Wave, которая создала систему охлаждения компьютера, которая снижает температуру атомов практически до нуля, чтобы исключить негативное влияние внешних факторов.

Зачем нужны квантовые компьютеры

Моделирование сложных физических систем

Первым о создании квантового компьютера в 80-х годах прошлого столетия заговорил Ричард Фейнман, американский учёный и физик, один из создателей квантовой электродинамики. В основу его запроса легла мысль о том, что подобное оценивается подобному. Уже тогда учёные и исследователи со всего мира нуждались не просто в теоретических расчётах квантовых систем, но и в точном имитировании их поведения.

Обычный пользовательский компьютер даже сегодня не способен справиться с этой задачей, потому что, как мы уже выяснили, квантовая микрочастица может принимать одномоментно два значения (0 и 1), тогда как система из двух частиц уже способна принимать 4 значения (00, 01, 10, 11) и так далее.

На сегодняшний день учёные и инженеры пока ещё не добились каких-то выдающихся результатов в области моделирования сложных физических систем. Но если представить, что такой квантовый компьютер будет когда-либо создан, по своей производительности он обгонит самые мощные современные электронно-вычислительные машины.

Квантовая криптография

Первый успешно функционирующий алгоритм для квантового компьютера был разработан в 1994 году учёным из США Питером Шором. В основу алгоритма была заложена способность раскладывать числа на простые множители. В 2001 году корпорация IBM представила миру программу, способную осуществлять вычисления, подобные этому: 12 = 3 х 4.

Дарим скидку от 60%
на курсы от GeekBrains до 22 декабря

Уже через 9 месяцев сможете устроиться на работу с доходом от 150 000 рублей

Забронировать скидку

Подобные разработки делают имеющуюся сегодня систему защиты и обеспечения безопасности информационных данных абсолютно бесполезной. Самый распространённый и часто используемый сегодня для защиты данных криптографический алгоритм (RSA-алгоритм) основан на том, что простой компьютер не способен за короткое время разложить число на простые множители.

Не так сложно умножить 3 на 4, а если речь идёт об умножении одного числа с тысячей знаков на другое число с несколькими тысячами знаков? Разложить результат такого умножения, которое передаётся в виде ключа к зашифрованным данным, на простые множители обычный компьютер не способен, а квантовый с подобной задачей справится без труда за считанные секунды.

Задача поиска

Зато в поисковых задачах современные образцы квантовых компьютеров добились огромных успехов. Ровно 10 лет назад 128-кубитовый квантовый компьютер, разработанный компанией D-Wave, решил поставленную перед ним задачу – отыскал трёхмерную структуру белка по сотой известной последовательности его аминокислот. Незадолго до этого всё той же корпорации D-Wave удалось посотрудничать даже с NASA.

Эксперимент заключался в необходимости определения маршрута для марсохода из одной точки в другую. Результаты этого эксперимента доподлинно не известны, однако проект по созданию лаборатории искусственного квантового интеллекта начал реализовываться такими гигантами, как Google, NASA и D-Wave сразу после его завершения.

В задачах поиска квантовому компьютеру нет равных. Найти нужный адрес или выявить закономерность в статистических данных – задача для него всего на пару секунд. Сет Ллойд, квантовый механик, профессор Массачусетского технологического университета, разработал алгоритм для 70-кубитного квантового компьютера, который может находить запрашиваемые последовательности в накопленной базе расшифрованных генов человечества.

Некоторые источники информации сообщали, что Сет Ллойд рассказал об идее квантового поиска руководству Google, однако оно не приняло её всерьёз. Помимо высокой точности и эффективности разработанный Ллойдом алгоритм обладал ещё одним неоспоримым достоинством – он был полностью невидимым, то есть он не позволял наблюдать за своей работой.

Как применяют квантовые компьютеры сейчас

Сегодня всё большее число известных производителей электронно-вычислительных машин стараются перейти к разработке квантовых компьютеров. На сегодняшний день спрос на такую технику небольшой: чаще всего их покупают университеты, институты, научные и исследовательские центры и некоторые компании, которые заинтересованы в исследовании возможностей квантовых компьютеров.

По оценкам Hyperion Research, в 2020 году рынок квантовой электронно-вычислительной техники составил всего 320 миллионов долларов, однако темп его роста каждый год стремится к показателю в 25 %.

Аналитики из Boston Consulting Group прогнозируют рост рынка до 850 миллиардов долларов уже к 2040 году. Такой прогноз основан на уверенности в том, что уже в ближайшие годы будут разработаны квантовые компьютеры, подходящие для решения коммерческих и пользовательских задач. Несмотря на то, что на сегодняшний день пока не созданы даже прототипы подобных машин, инвестиции в эту область привлекаются огромные.

Сегодня учёные и инженеры работают над созданием универсальных квантовых компьютеров для задач обычных пользователей, а также узкоспециализированного квантового оборудования. Центральное место среди разработчиков подобной техники до сих пор принадлежит компании D-Wave, которая является автором квантовых компьютеров, включающих в себя 5000 кубитов.

Два года назад корпорация открыла облачный доступ для коммерческих организаций к специализированным квантовым вычислительным машинам Advantage, прекрасно справляющимся с решением сложных оптимизационных задач.

Только до 26.12

Скачай подборку материалов, чтобы гарантированно найти работу в IT за 14 дней

Список документов:

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

20 профессий 2023 года, с доходом от 150 000 рублей

Чек-лист «Как успешно пройти собеседование»

Чтобы получить файл, укажите e-mail:

Введите e-mail, чтобы получить доступ к документам

Подтвердите, что вы не робот,
указав номер телефона:

Введите телефон, чтобы получить доступ к документам

Скачать подборку бесплатно pdf 2,5mb

Уже скачали 52300

Я подтверждаю согласие на обработку персональных данных.

Компания IBM также не отстаёт в своих разработках. Уже сегодня она предлагает квантовые компьютеры, предназначенные для решения большого спектра задач в области энергетики и энергосбережения. Корпорация также активно занимается исследованием возможностей использования квантовых вычислений в различных научных и коммерческих областях.

Почему квантовые компьютеры изменят мир

Квантовые компьютеры могут быть очень полезны в области здравоохранения и фармацевтики. С помощью таких вычислительных машин учёные надеются решать задачи, которые неподвластны им сейчас. Исследователи известной фармацевтической компании из Швейцарии Roche считают, что квантовое моделирование способно помочь в разработке вакцин для защиты от распространённых инфекций и лекарств от таких заболеваний, как грипп и рак.

Квантовая вычислительная техника может помочь в разработке новых катализаторов, используемых для утилизации углекислого газа и отработанных газов, что, в свою очередь, снизит выбросы вредных веществ в атмосферу и позволит получать ценные нефтехимические продукты.

Квантовое оборудование может быть полезно и в области аэродинамики. Квантовое моделирование можно применять с целью оптимизации городского транспортного трафика или потока данных в сети.

Ожидается, что квантовые электронно-вычислительные машины скоро станут незаменимыми помощниками в финансовой сфере. Вычисления, производимые на подобной технике, предполагают глубокую аналитику данных, что открывает возможности для появления новых торговых и инвестиционных возможностей.

Финансовое моделирование в скором времени может сыграть решающую роль в оценке инвестиционного потенциала для проектов: у компаний, которые смогут позволить использовать в своей работе квантовые вычислительные машины, появится сильнейшее преимущество над конкурирующими фирмами.

Основным источником дохода для корпораций, осуществляющих разработку и выпуск квантовых компьютеров, будут услуги по предоставлению удалённого (облачного) доступа к своим ресурсам. Многие аналитики сегодня сходятся во мнении о том, что в скором времени будут созданы пользовательские квантовые компьютеры, востребованность которых с каждым годом будет только возрастать.

Пока же на данном этапе развития многие заказчики предпочитают использовать удалённый доступ для осуществления необходимых им квантовых вычислений. Вместе с развитием техники будет расти и рынок программного обеспечения для квантовых компьютеров. Будут появляться новые профессии и специалисты, а вместе с ними и образовательные программы и курсы, которые ещё больше ускорят развитие этой отрасли.

В России планируется создание Национальной квантовой лаборатории, на базе которой будут запущены обучающие программы с целью подготовки квалифицированных специалистов в этой, пока ещё новой для нас, области. В планах данного проекта находится разработка устойчивой системы квантовых вычислений и вывод её на международный уровень, что поможет объединить кадры из различных отраслей науки и бизнеса.

Решение поставленных задач поможет нам не только достигнуть высочайшего уровня развития в этой сфере, но и создаст техническую базу для решения сложнейших научных задач.

11 фактов о квантовом компьютере

Уникальная система хранения данных

Обычные пользовательские компьютеры используют двоичную систему хранения информационных данных. Единица измерения в таких машинах информации называется битом. Он может принимать одно из двух значений: либо 0, либо 1. На бит можно оказывать влияние с помощью шагов булевой логики.

Квантовый компьютер хранит информационные данные в виде кубитов, которые могут принимать значение 0, 1 либо квантовой суперпозиции двух состояний. По сравнению с традиционной двоичной системой хранения данных, кубиты более гибкие. Они могут быть представлены в виде квантовых микрочастиц с двумя спиновыми состояниями: «вверх» и «вниз». Система, выстроенная на подобных кубитах, может быть отображена на эффективную систему со спином 1/2.

Высокая скорость

Так как кубиты могут принимать значения не только 0 и 1, квантовые компьютеры способны выполнять вычисления параллельно. Параллелизм – одно из достоинств квантовых машин, позволяющее им выполнять одновременно сразу несколько задач.

Переопределение безопасности

Высокая скорость работы и производительность квантовых вычислительных машин формирует серьёзную проблему в области защиты информационных данных. Все применяемые сегодня алгоритмы шифрования данных основаны на факторизации больших чисел (например, RSA-алгоритм и DSA-алгоритм). Обычный пользовательский компьютер не в состоянии сломать подобные криптографические алгоритмы.

Экономия на электроэнергии

Для любой техники, работающей на электричестве, потребляемая мощность является решающим фактором для полноценного и эффективного функционирования. Чтобы поддерживать необходимый уровень производственной мощности, для большого количества процессоров требуется огромное число блоков питания. В 2017 году самый быстрый компьютер в мире показал рекордное энергопотребление в 15,37 МВт. Однако данный показатель меркнет рядом с любым квантовым компьютером.

Возможность моделирования альтернативных реальностей

Если обратиться напрямую к квантовой механике, то при моделировании квантовых систем мы будем иметь дело с так называемой Мультивселенной, в которой любая задача может иметь бесчисленное множество возможных решений. Квантовый компьютер способен решать «n» количество задач в «n» числе параллельных вселенных и достигать при этом финального результата.

Обычный пользовательский компьютер способен осуществлять «N» число вычислений за «N» количество секунд. Квантовый компьютер за то же время способен выполнить «N2» число вычислений. В далёком 1997 году обычный пользовательский компьютер сумел обыграть действующего чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова. Машине удалось сделать это благодаря тому, что она изучала 200 миллионов различных вариаций ходов за одну секунду.

Популярные статьи

Высокооплачиваемые профессии сегодня и в ближайшем будущем

Дополнительный заработок в Интернете: варианты для новичков и специалистов

Востребованные удаленные профессии: зарабатывайте, не выходя из дома

Разработчик игр: чем занимается, сколько зарабатывает и где учится

Как выбрать профессию по душе: детальное руководство + ценные советы

Если бы эту задачу выполнял квантовый компьютер, за ту же одну секунду он бы сумел изучить один триллион возможных вариаций, за две секунды – уже четыре триллиона, а за три секунды – девять триллионов ходов.

Сложность в разработке квантовых компьютеров

Стабильная работа не является отличительной характеристикой квантовых электронно-вычислительных машин. Интерференция, любая разновидность вибрации способна нарушить вибрацию атомов, приводя к большому числу ошибок в расчётах и вычислениях. Квантовая механика описывает электроны в качестве волновой функции. Эти волны могут оказывать влияние на квантовые микрочастицы, нарушая работу всей системы в целом.

Работа на низких температурах

Для высокой производительности и эффективного функционирования всех систем и внутренних устройств квантовой вычислительной техники необходима низкая температура. Для устойчивой работы квантового компьютера атомы должны находиться в стабильном состоянии. Единственный возможный способ для поддержания стабильности атомов – снижение их температуры до нуля Кельвина.

Только при такой температуре атомы остаются стабильными без выделения тепловой энергии. Система охлаждения 2000Q, разработанная компанией D-Wave, является самой прогрессивной на сегодняшний день, так как позволяет охлаждать процессоры до 0,015 Кельвина.

Использование эффективных навыков решения задач

Квантовые электронно-вычислительные машины способны работать, используя традиционные алгоритмы. Однако в своей работе для получения максимально эффективных результатов они применяют квантовые алгоритмы, а также базовые принципы и законы квантовой механики (например, запутывание и суперпозицию). Неразрешимые задачи классов будут неизменно неразрешимыми и в квантовых вычислениях.

Преимущество применения квантового вычисления заключается в том, что оно позволяет решать задачи гораздо быстрее, чем это возможно сделать при помощи традиционных алгоритмов.

Кроме того, квантовая техника может обнаруживать дальние планеты, моделировать различные системы, строить точные прогнозы погоды, выявлять заболевания на ранних стадиях, а также помогать в разработке вакцин и лекарств.

Развитие искусственного интеллекта

Искусственный интеллект сегодня активно развивается, однако в этой области до сих пор остаётся большое число неохваченных областей. Современные роботы умеют передвигаться, распознавать материалы и формы, различать и выполнять простейшие команды, однако им очень сильно не достаёт тех факторов, которые могут сделать их по-настоящему умными.

Частичная одинаковая производительность

Несмотря на то, что квантовые алгоритмы позволяют компьютерам, работающим на их базе, находить решения поставленных задач в кратчайшие сроки, обычные пользовательские компьютеры в некоторых ситуациях не уступают им в производительности. Дело в том, что квантовые компьютеры так же, как и обычные, в своей работе используют традиционные математические алгоритмы. Например, базовые принципы арифметики. Отсюда и частичная одинаковая производительность.

Последние достижения в сфере квантовых технологий

В 2015 году учёные из Университета в Новом Южном Уэльсе создали первый в мире кремниевый квантовый элемент. В этом же году NASA совместно с компанией D-Wave выпустили первый в мире операционный квантовый компьютер.

Читайте также!

Программная инженерия: как решаются глобальные IT-задачи

Подробнее

В 2016 году учёными из Университета Мэриленда был разработан первый в мире перепрограммируемый квантовый компьютер. В этом же году специалисты из Базельского университета создали квантовый компьютер, который вместо электронных спинов использует квантовые дыры в полупроводнике при низких температурах, что в значительной степени снижает уязвимость машины к декогеренции.

Автор статьи:

Редакция сайта GeekBrains Шеф-редактор раздела Программирование