Все о квантовых компьютерах

Квантовый компьютер - это устройство, которое использует явления квантовой механики для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер в отличие от обычного оперирует не битами, способными принимать значение либо 0, либо 1, а квантовыми битами (кубитами), имеющими значения одновременно и 0, и 1.

Это позволяет квантовому компьютеру обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов.

 

История возникновения: от теории к реализации 

Идея о квантовых вычислениях была высказана Юрием Маниным в 1980 году.

Однако первая модель квантового компьютера была предложена только год спустя Ричардом Фейнманом. 

В 1983 году была предложена концепция квантового компьютера Стивеном Визнером.

В 1994 году П. Шором разработан квантовый алгоритм факторизации числа.

В 1998 году создан первый двухкубитный квантовый компьютер

В 2001 году алгоритм Шора выполнен квантовым компьютером IBM для числа 15

С 2007 по 2016 годы D-Wave создает квантовый компьютер до 2000 кубитов

В 2012 году реализован алгоритм Шора для числа 21

В 2016 году Google смоделировали молекулу водорода с помощью квантового компьютера

В 2019 году IBM создала компьютер из 20 кубитов

В этом же 2019 году Google заявила о создании квантового компьютера из 53х кубитов, достигнуто квантовое превосходство.​

Развитие квантовых технологий идет медленно, что связано с рядом проблем, возникающих при создании квантовых компьютеров.

Квантовая гонка: кто участвует?

 

Квантовые технологии произведут революцию во многих областях науки и техники, поскольку квантовые компьютеры могут решать такие задачи, на которые у современных даже самых мощных компьютеров ушло было несколько тысяч лет. Все успешные страны в данный момент активно занимаются развитием квантовых технологий. В исследования вкладывается огромное количество денег, создаются специальные квантовые центры и программы финансирования.

Свои квантовые компьютеры уже представили такие компании, как Google, IBM, Intel, Microsoft, а также D-Wave, Honeywell и другие технологические гиганты.

О том, как обстоят дела с квантовыми технологиями в России, читайте здесь.

Квантовый компьютер: принцип работы

Квантовый компьютер в качестве носителей информации использует объекты квантового мира. Это могут быть 

 

  • сверхпроводниковые кубиты

  • зарядовые кубиты

  • ионные ловушки

  • квантовые точки

  • и множество других объектов

Наиболее развитой в настоящее время является технология создания компьютеров на сверхпроводящих кубитах. Ее используют в своих компьютерах компании Google, IBM, Intel и др.

Квантовые объекты обладают квантовыми свойствами, которые определяют возможности квантовых вычислений.

Квантовые свойства кубитов

1. Квантовый объект имеет определенное состояние с двумя граничными уровнями. Эти состояния обозначают |0> и |1>. К примеру, кубиты на основе фотонов имеют два состояния, определяемые поляризацией.  Поляризация фотонов может быть вертикальной или горизонтальной (поле колеблется вверх-вниз или влево-вправо), либо круговой (по часовой стрелке или против).

 

Пример из реального мира - это монета. У менты есть две стороны - орел и решка. То есть два граничных состояния - орел и решка.

2. Квантовый объект находится в суперпозиции своего состояния до момента измерения. Суперпозиция кубитов означает, что кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией двух основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно. Однако, любое измерение квантового состояния приводит к нарушению суперпозиции, и мы получаем либо значение |0>, либо |1>.

Возвращаясь к примеру с монетой, суперпозиция означает постоянное вращение монеты в воздухе. Мы не знаем, в каком из двух граничных состояний находится монета при вращении, она с определенной долей вероятности может находиться в состоянии решка, и с определенной долей вероятности может находиться в состоянии орел. Если мы поймаем монету, чтобы понять ее состояние, - мы получим одно из двух граничных значений, и суперпозиция уже будет нарушена. 

3. Квантовый объект спутывается с другими объектами для создания квантовых систем. 

Спутанность кубитов - это явление, при котором состояния объектов оказываются взаимозависимыми. Такая взаимозависимость означает, что зная значение одного кубита, мы знаем значение спутанного с ним кубита. При этом, изменение состояния объекта приводит к мгновенному изменению спутанного с ним объекта. Измерение состояния объекта приводит к нарушению спутанности.

Если рассматривать это свойство на примере монет, то можно представить себе несколько вращающихся монет, которые могут задевать друг друга, влияя на состояние друг друга. Если же поймать одну из монет - она уже не сможет влиять на другие монеты, то есть спутанность нарушена.

4. Квантовый объект выполняет теорему о запрете клонирования. Нельзя полностью скопировать состояние квантовой системы и квантового объекта. 

Суть этого свойства в том, что мы никогда не сможем создать две одинаковые системы вращающихся монеток. Даже две монетки мы не сможем подкинуть так, чтобы они вращались абсолютно одинаково. 

Преимущества квантовых компьютеров

Преимущества квантовых компьютеров вытекают из их квантовой природы. Поскольку кубиты находятся в состоянии квантовой суперпозиции, то есть принимают все возможные значения одновременно, то квантовый компьютер может выполнить параллельно и одновременно все вычисления.

Представьте себе следующую задачу: нам нужно разместить наилучшим образом трех пассажиров (обозначим их А, Б, В) по двум такси (обозначим их 0 и 1). При этом пассажиры А и Б - друзья, А и В - враги, Б и В - враги. То есть наша задача выбрать такие решения, при которых друзья вместе, а враги - порознь. Из всех возможных комбинаций размещения (которых всего 8) есть два наилучших решения - когда А и Б в такси 0, а В - в такси 1, и когда А и Б в такси 1, а В - в такси 0. Компьютер решает эту задачу путем перебора всех возможных решений. В этом случае их 8, поэтому задача решается быстро. 

Если число пассажиров увеличить хотя бы до 50 и взять два автобуса, то число возможных вариантов размещения будет 2^50, то есть 1.12 x 10^15, то есть больше одного квадрильона вариантов. На перебор этих комбинаций у современного компьютера, если верить данным Википедии, уйдет больше 30 лет. То есть по сути такого рода задачи для современных компьютеров слишком трудные.

Если же мы имеем квантовый компьютер, то для него пассажиры А, Б и В будут одновременно находиться в такси 0 и 1 с некоторой вероятностью. То есть все 8 вариантов уже будут определяться состоянием системы. И не важно, сколько у нас пассажиров - 3 или 50 - все возможные комбинации будут определяться состоянием системы. 

Именно благодаря этому свойству, квантовые компьютеры могут выполнять задачи, не доступные современным компьютерам.

последние новости

10 интересных фактов о квантовых компьютерах

квантовый интернет

Подписаться на новости SCDAILY