Шесть примеров, когда квантовые компьютеры нам очень помогут

Алан-э-Дейл       31.12.2022 г.

Путь к реализации

Для создания работоспособных квантовых вычислительных устройств необходимо пройти ряд этапов реализации. Мы должны построить рабочие кубиты – не только пять, но тысячи. Мы должны организовать структуру из  квантовых вентилей и эквивалент проводов – если только мы не сможем заставить вентили действовать непосредственно на состояние во входном квантовом регистре. Все это сложные задачи, и график их решения непредсказуем.

К сожалению, проблемы связаны не столько с новизной проблем, сколько с законами квантовой механики и классической физики. Возможно, самая главная и наименее знакомая из них, называется декогеренцией. Роль кубит состоит в том, чтобы удерживать физический объект – например, ион, пакет фотонов или электрон — на месте, чтобы мы могли воздействовать на него и в конечном итоге измерять квантованную величину, такую как заряд или спин. Чтобы эта величина вела себя квантовым, а не классическим образом, мы должны иметь возможность ограничить ее состояние суперпозицией двух чистых базовых состояний, которые мы называли 0 и 1.

Но природа квантовых систем такова, что связывает их с вещами вокруг них, значительно увеличивая количество возможных базовых состояний. Физики называют такое размытие чистых состояний декогеренцией. Аналогией может быть когерентный лазерный луч в световоде, рассеивающийся на неоднородностях материала и размывающейся от суперпозиции двух мод в полностью некогерентный свет. Задачей создания физического кубита является как можно дольше предотвращать декогеренцию.

На деле это означает, что даже один кубит это сложный лабораторный инструмент, возможно, с использованием лазеров или высокочастотных радиопередатчиков, точно контролируемые электрические и магнитные поля, точные размеры, специальные материалы и, возможно, криогенное охлаждение. Его использование, по сути, является сложной экспериментальной процедурой. Даже при всех этих усилиях, сегодня это «как можно дольше» измеряется десятками микросекунд. Таким образом, у вас очень мало времени для выполнения квантовых вычислений, до того, как ваши кубиты потеряют свою согласованность. То есть, до того как информация исчезнет.

Сегодня эти ограничения исключают возможность больших квантовых регистров или проведения вычислений, для которых требуется более нескольких микросекунд. Тем не менее, в настоящее время в микроэлектронике ведутся исследования по созданию гораздо более обширных массивов кубитов и квантовых вентилей.

Однако сама эта работа несколько бессвязна, потому что пока нет определенности в отношении того, какое физическое явление использовать для хранения квантовых состояний. Существуют конструкции кубит, которые квантуют поляризацию фотонов, заряд электронов, захваченных квантовыми точками, чистый спин сверхохлажденных ионов в ловушке, заряд в устройстве, называемом трансмоном, и некоторые другие подходы.

Тип кубита, который вы выберете, естественно определит реализацию квантовых вентилей. Например, вы можете использовать взаимодействие радиоимпульсов с внутренними спинами в молекулах в ловушке или взаимодействие расщепителей пучков с фотонными модами в волноводах. Очевидно, что существо дела находится  глубоко в области экспериментальной физики. И, как уже упоминалось, реализация кубитов или квантовых вентилей требует использования большого количества различного оборудования, от цифровой логики до лазеров или радиопередатчиков, антенн и до криогенных охладителей.

Реализация кубит также зависит, от того каким образом измеряется состояние кубит. Вам может потребоваться сверхчувствительный фотометр или болометр, мост сопротивлений или какое-либо другое невероятно чувствительное устройство для измерения кубитов и перевода состояния суперпозиции в базовое состояние. И, кроме того, этот процесс измерения состояния кубит вызывает еще одну проблему, незнакомую традиционным вычислениям: получение неправильного ответа.

Квантовый скачок

Lockheed Martin доказывает, что преимущества квантовых вычислений можно получить уже сейчас, даже несмотря на то, что настоящих полноценных функционирующих квантовых компьютеров еще не создано.

Первой квантовой системой, которую Lockheed Martin купила у компании D-Wave Systems, был компьютер «Rainier», работающий на базе 128 кубитов и известный также под названием D-Wave One. Позже систему заменили на компьютер «Vesuvius» с 512 кубитами на борту, который, в свою очередь, совсем недавно был заменен еще более продвинутой системой D-Wave 2X с поддержкой уже 1152 кубитов.

Чуть позже вы поймете, почему слово «почти» здесь имеет решающее значение.

Перед собственно самой покупкой представители Lockheed Martin несколько раз посещали главный офис компании D-Wave в Ванкувере. Система, по мнению специалистов, показала себя «многообещающей», и поэтому было решено приобрести один компьютер. Следующим шагом было подписание соглашения о сотрудничестве с Университетом Южной Калифорнии. Одним из результатов сотрудничества стало строительство Центра квантовых вычислений.

Подписанное соглашение позволяет Университету Южной Калифорнии использовать систему для своих исследований и проводить тесты компьютера. Lockheed Martin, в свою очередь, может использовать эту информацию для исследования вопроса перспективного использования технологий квантовых вычислений в различных сферах.

Основной сферой применения подобной квантовой системы изначально рассматривалась проверка и подтверждение работоспособности других готовых программных продуктов. Однако диапазон интересующих направлений решено было увеличить. Важнейшей новой сферой в списке интересов, пожалуй, является машинное обучение, однако систему также рассматривают в качестве мощного инструмента для планирования и прогнозирования.

Задача коммивояжера заключается в отыскивании самого выгодного маршрута, проходящего через указанные города хотя бы по одному разу с последующим возвратом в исходный город. Эту задачу можно решить и с помощью нынешних компьютеров, однако квантовые аппаратные средства потенциально способны многократно повысить скорость вычислений, особенно в случае если число этих городов в задаче будет постоянно увеличиваться.

Компьютер D-Wave

Талланту и его команде пока не довелось продемонстрировать преимущества их системы D-Wave над классическими компьютерами при решении этой задачи, однако шаг вперед уже сделан. Как сделана и ставка на будущие технологические свершения с помощью самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера с 1152 кубитами на борту, который компания приобрела в июле этого года.

Зачем нужен квантовый компьютер?

Этот исследовательский центр, расположенный в Йорктаун-Хайтс, немного похож на летающую тарелку, как и задумывалось в 1961 году. Он был спроектирован архитектором-неофутуристом Ээро Саариненом и построен во время расцвета IBM как создателя крупных мейнфреймов для бизнеса. IBM была крупнейшей компьютерной компанией в мире, и за десять лет строительства исследовательского центра она стала пятой крупнейшей компанией в мире, сразу после Ford и General Electric.

Хотя коридоры здания смотрят на деревню, дизайн таков, что ни в одном из офисов внутри нет окон. В одной из таких комнат и обнаружился Чарльз Беннет. Сейчас ему 70, у него большие белые бакенбарды, он носит черные носки с сандалиями и даже пенал с ручками. В окружении старых компьютерных мониторов, химических моделей и, неожиданно, небольшого диско-шара, он вспоминал рождение квантовых вычислений так, будто это было вчера.

Когда Беннетт присоединился к IBM в 1972 году, квантовой физике уже было полвека, но вычисления все еще полагались на классическую физику и математическую теорию информацию, которую Клод Шеннон разработал в MIT в 1950-х годах. Именно Шеннон определил количество информации числом «битов» (этот термин он популяризовал, но не изобрел), необходимых для ее хранения. Эти биты, 0 и 1 бинарного кода, легли в основу традиционных вычислений.

Спустя год после прибытия в Йорктаун-Хайтс Беннетт помог заложить основу для теории квантовой информации, которая бросила вызов предыдущей. Она использует причудливое поведение объектов в атомных масштабах. В таких масштабах частица может существовать в «суперпозиции» множества состояний (то есть в множестве позиций) одновременно. Две частицы также могут «запутываться», так что изменение состояния одной мгновенно отзывается на второй.

На вид это обычный вычислительный центр.

Беннетт и другие поняли, что некоторые виды вычислений, которые занимают слишком много времени или вообще невозможны, можно было бы эффективно проводить при помощи квантовых явлений. Квантовый компьютер хранит информацию в квантовых битах, или кубитах. Кубиты могут существовать в суперпозициях единиц и нулей (1 и 0), и запутанность и интерференцию можно использовать для поиска вычислительных решений в огромном числе состояний. Сравнивать квантовые и классические компьютеры не совсем правильно, но, выражаясь фигурально, квантовый компьютер с несколькими сотнями кубитов может производить больше вычислений одновременно, чем атомов в известной вселенной.

Летом 1981 года IBM и MIT организовали знаковое мероприятие под названием «Первая конференция по физике вычислений». Оно проходило в отеле Endicott House, особняке во французском стиле недалеко от кампуса MIT.

На фото, которое Беннетт сделал во время конференции, на лужайке можно увидеть некоторых из самых влиятельных фигур в истории вычислительной и квантовой физики, включая Конрада Зузе, который разработал первый программируемый компьютер, и Ричарда Фейнмана, внесшего важный вклад в квантовую теорию. Фейнман держал на конференции ключевую речь, в которой поднял идею использования квантовых эффектов для вычислений.

«Самый большой толчок квантовая теория информации получила от Фейнмана», говорит Беннетт. «Он сказал: природа квантовая, мать ее! Если мы хотим имитировать ее, нам понадобится квантовый компьютер».

Квантовый компьютер IBM — один из самых перспективных из всех существующих — расположен прямо по коридору от офиса Беннетта. Эта машина предназначена для создания и манипуляции важным элементом квантового компьютера: кубитами, которые хранят информацию.

История.

Барри Лам основал компанию Quanta Computer, с уставным капиталом $900 000 в мае 1988 года. Quanta начал заниматься разработкой и производством ноутбука. В ноябре 1988 года, спустя шесть месяцев после запуска Quanta, Лам завершил работу над своей первой версией портативного персонального компьютера, прототип ноутбука запомнился как громоздкая машина размером с портфель. Он возил свое творение на выставки, надеясь вызвать интерес.

Его «детище» не получило большого внимания, но заказы на машину Quanta поступали. В 1989 году Quanta открыла свое производство пригороде Тайбэя. В следующем году Quanta начала производство своего первого коммерческого ноутбука, на базе процессора Intel 386.

Quanta начал проектировать ноутбуки для американских компаний. В 1990-х годов Quanta заключил контракты с Apple Computer и Gateway, Inc. Для обслуживания клиентов были открыты офисы по всему миру. В 1991 году в Фремонте, штат Калифорния, был создан отдел послепродажного обслуживания. В 1994 году в Аугсбурге, Германия, был создан офис. Переломный момент в истории компании произошел в 1996 году, когда Quanta достигла соглашения с Dell Computer Corporation.

В 1995 году Quanta достигла соглашения с Apple Computer, который предложил компании создавать дизайн для ноутбуков Apple. Apple, желая сократить затраты и время разработки своей новой линейки ноутбуков PowerBook, совместно с Quanta начал разработку ноутбуков. Это соглашение стало залогом долгосрочного партнерства, в результате которого инженеры Quanta взяли на себя большую часть ответственности за разработку более поздних поколений ноутбуков Apple. Для ноутбука G4 компании Apple, выпущенного в начале XXI века, 500 инженеров Quanta на Тайване составляли половину проектных работ, которые стали основой модели. 

Quanta внес вклад в спасение компании Hewlett-Packard. В 1999 году промышленный гигант США был близок к закрытию своего подразделения ноутбуков, когда руководители компании решили нанять Quanta, чтобы сохранить присутствие Hewlett-Packard на рынке ноутбуков. Quanta собрала ноутбук, установила программное обеспечение, протестировала конечный продукт и даже начала поставлять ноутбуки Hewlett-Packard клиентам. Положение Hewlett-Packard на рынке ноутбуков быстро улучшилось.

К 2000 список клиентов компании был впечатляющим, состоящим, по существу, из всех основных производителей ноутбуков в мире. Среди клиентов Quanta были Dell, Compaq, Apple, Hewlett-Packard, IBM, Sony, Sharp, Fujitsu и Siemens. Компания также начала вертикально интегрировать и диверсифицировать свою деятельность, стремясь добавить альтернативные потоки доходов в свой основной бизнес. В феврале 1999 года компания создала Quanta Storage Inc., дочернюю компанию, которая выпускала устройства хранения данных, такие как приводы CD-ROM и DVD-приводы. В июле 1999 года был создан Quanta Display Inc., производитель жидкокристаллических дисплеев (LCD).

2001 год для Quanta Computer стал самым сложным, вызванный самым сильным падением рынка в истории высокотехнологичной отрасли, но Quanta продемонстрировал энергичный рост, что привело к двузначному увеличению продаж, поскольку другие производители компьютеров терпели убытки. В течение года Quanta Computer ожидал отгрузки четырех миллионов ноутбуков, что на 50% больше, чем в 2000 году. Quanta Computer стал крупнейшим в мире производителем ноутбуков, а его фабрики собирают одну седьмую часть ноутбуков, проданных по всему миру.

В 2002 году производство было перенесено в Китай, где Quanta надеялась сократить издержки производства на 10%. Планы потребовали инвестиций в улучшение производственных мощностей в Китае в размере $18 млн., что являлось частью цели компании по достижению дохода в $10 млрд. от продаж в Китае и Тайване к 2004 году. В ближайшие годы, по мнению аналитиков, самой большой проблемой Quanta было сохранение ее лидерства как рост рынка ноутбуков снизился, достигнув такой же насыщенности, что и производители настольных ПК.

В каких областях квантовый компьютер будет особенно актуален?

Финансы

  • оптимизация инвестиционных портфелей;
  • предсказание финансовых кризисов;
  • предсказание кредитоспособности клиентов;
  • построение моделей кредитных рисков;
  • защита от мошенничества с помощью анализа истории транзакций;
  • распознавание мошеннических действий.

Все эти процессы существенно трансформируются благодаря вычислительной мощности квантовых компьютеров. Задачи будут решаться моментально, а не в течение часов и дней.

Медицина и фармацевтика

Квантовые компьютеры помогут оптимизировать поиск белковых структур. Это приведет к ускорению производства новых лекарств и персонализации медицины, а также ускорению сборки геномов. Последний процесс может быть использован при диагностике онкологических заболеваний, так как слияние генов и их перегруппировка — это распространенные причины злокачественных опухолей. D-Wave уже применила свой квантовый отжигатель (вычислитель, пригодный для решения лишь некоторых задач по оптимизации), чтобы выявить у пациентов с немелкоклеточным раком легкого аденокарциному или плоскоклеточный рак — две разновидности смертельного заболевания.

Логистика

Оптимизация логистических цепей сократит длину маршрутов и даст возможность бизнесу уменьшить затраты на топливо. Квантовые алгоритмы в несколько раз быстрее просчитывают все возможные варианты передвижения и выбирают самые оптимальные.

Первый проект такого рода был осуществлен в 2019 году, когда технологическая компания Groovenauts вместе с компанией Mitsubishi Estate смогли оптимизировать сеть маршрутов забора мусора и размеры транспортных контейнеров для 26 крупных офисных центров в центральной части Токио.

Информационная безопасность

Сегодня разработаны алгоритмы, которые позволяют квантовому компьютеру сократить время подбора пароля и дешифровки информации до нескольких часов или минут.

Даже высокозащищенные методы, основанные на криптографии с открытым ключом, могут запросто быть взломаны квантовым компьютером. Именно поэтому квантовые вычисления — это технология национальной безопасности, и государства, которые первыми построят высококубитный квантовый компьютер, получат практически совершенное технологическое оружие. Отсюда и квантовая гонка, и сотни миллиардов инвестиций в технологию.

Химическая промышленность

  • «Кванты» помогут создать новые композитные материалы для таких отраслей экономики, как авиастроение и химическая промышленность. Полученные составы улучшат функциональные свойства авиалайнеров, снизят их вес на 20–40% и повысят износостойкость;
  • применение квантовых сенсоров в производстве материалов позволит отследить критические деформации конструкций, снижая затраты на диагностику, технический осмотр и ремонтные работы.

Квантовый компьютер 2019. Google представила новый квантовый процессор

Корпорация Google представила 72-кубитный квантовый процессор Bristlecone. С помощью этого процессора подразделение Google Quantum AI lab, ответственное за разработку квантового компьютера, будет тестировать системные ошибки и масштабируемость технологии, а также области применения квантовой симуляции, оптимизации и машинного обучения «для решения проблем реального мира», как пишет компания в блоге .Новый 72-кубитный квантовый процессор Google Bristlecone построен по принципу, который позволил в предыдущем 9-кубитном процессоре показать низкую частоту ошибок при считывании данных (1%), при работе однокубитного вентиля — 0,1% и при работе двухкубитного вентиля — 0,6%, что, как отмечает Google, было лучшим результатом компании

Перед применением нового процессора в работе важно понять его возможности: команда создала инструмент, проверяющий его на ошибки, с помощью решения идентичных задач на квантовом процессоре и в классической симуляции. При низком количестве ошибок может быть достигнуто «квантовое превосходство».Прогноз Google: зависимость количества ошибок от количества кубитов в процессореКвантовые компьютеры используют квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для передачи и обработки данных

Одной из главных задач квантовых компьютеров станет усиление искусственного интеллекта . Кубиты квантового процессора — это квантовые аналоги битов. Два расположенных рядом кубита имеют четыре состояния — оба вкл, оба выкл, вкл/выкл и выкл/вкл, каждый из них имеет вес или «амплитуду», которая способна играть роль нейрона; третий кубит в такой системе позволяет представить восемь нейронов, а четвёртый — шестнадцать. Изменение состояния четырёх кубитов приводит к обработке шестнадцати нейронов за один раз, в то время как классический компьютер обрабатывал бы эти числа по одному.Одной из проблем при работе квантового компьютера является количество ошибок, которые возникают при вычислениях, считывании и записи информации в кубиты. В июне 2016 года исследователи из Google построили процессор из 9 кубитов, который показал высокую надёжность. Эту разработку они смогли масштабировать к марту 2018 года, увеличив количество кубитов до 72. В процессоре кубиты расположены в два слоя 6×6 друг над другом. Подразделение Google Quantum AI lab тестирует разработку.Квантовый процессор Bristlecone состоит из 72 кубитов, изображённых на схеме (справа) в форме «X», где точки соприкосновения концов символа отображает связь кубита с ближайшими «соседями»На данный момент квантовыми компьютерами занимаются ряд исследовательских команд, в том числе — IBM. В марте 2017 года компания объявила о запуске проекта IBM Q, и к июню представила два процессора: 16-кубитный для работы в научной сфере и 17-кубитный для коммерческого использования. В 2017 году IBM Research разработала 49-кубитный процессор.В июле 2017 года команда российских и американских учёных из Гарвардского университета, возглавляемая сооснователем Российского квантового центра (РКЦ) Михаилом Лукиным, сообщила о создании 51-кубитного квантового компьютера.В России в марте 2018 года между Внешэкономбанком, компанией «ВЭБ Инновации», Фондом перспективных исследований (ФПИ), МГУ имени Ломоносова и АНО «Цифровая экономика» было подписано соглашение о разработке 50-кубитного квантового компьютера.

Почему кубиты важны?

Основой работы классических компьютеров является бит, который может принимать два состояния: «один» или «ноль» — «истина» или «ложь». Квантовый компьютер использует квантовые биты, то есть кубиты. Они также могут принимать состояния, такие как «ноль» или «один», но они также могут принимать оба состояния одновременно. Кубит может находиться в суперпозиции, то есть пропорциональной смеси «бытия» в состоянии «ноль» и «один».

Очень важно: если один кубит в суперпозиции может оставаться в двух состояниях одновременно, то у двух кубитов, например, будет уже четыре, 5 кубитов — 32. Это не конец, потому что кубиты зависят друг от друга, их состояния связаны

Это означает, что вы не можете описать состояние одного кубита изолированно от другого. Имея информацию об одном из них, мы знаем, чего ожидать от других. Квантовые состояния имеют фазу и могут мешать друг другу. Это третий после суперпозиции и связывания элемент, описывающий кубиты. Квантовые помехи следует понимать так же, как и известные волновые помехи: когда две волны имеют согласованные фазы, их амплитуды складываются, и когда верно обратное, амплитуды взаимно компенсируют друг друга. Классические биты обрабатываются и программируются один за другим. При большой сложности расчетов это отнимает много времени. Благодаря суперпозиции и остальным особенностям кубита, в квантовом компьютере входные данные могут быть сохранены сразу. Вы также можете прочитать все возможные решения одновременно. Единственная проблема заключается в том, что для их считывания требуется много измерений, поскольку конечным результатом является их усреднение. Когда в будущем мы сможем построить достаточно мощный компьютер, состоящий из множества полезных кубитов с наименьшим количеством ошибок, вы сможете моделировать и решать чрезвычайно сложные задачи. До настоящего времени было разработано всего несколько алгоритмов, в которых квантовый компьютер имел бы явное преимущество перед традиционным. Известно, что кубиты будут очень хорошо разбивать целые числа на факторы (квантовый алгоритм Питера Шора). Вычислительная сложность этого процесса все еще чрезвычайно трудоемка, даже для современных суперкомпьютеров, и поэтому используется для шифрования данных.

В 2010 году было объявлено, что самый большой 768-битный ключ RSA был сломан (сегодня 1024- или 4096-битные ключи используются по умолчанию). Весь процесс занял у ученых около двух лет и потребовал много компьютеров, соединенных вместе. Если бы им пришлось использовать один из них, то весь процесс должен был бы длиться около 2000 лет. Такое положение вещей может изменить квантовый компьютер.

Кубиты и их квантовая природа будут лучше подходить для описания физических явлений, реакций или химических соединений, которые сами имеют квантовую природу. Исследователи в их использовании видят большой потенциал, который приведет к открытию новых материалов и лекарств. Первые успехи — это квантовое моделирование очень простых молекул гидрида лития (LiH) и гидрида бериллия (BeH 2), разработанных IBM Research с использованием компьютера на 7 qit.

На данный момент небольшие и все еще неточные квантовые компьютеры не имеют впечатляющих приложений. Они не помогают в прогнозировании погоды, они не предвидят тенденции фондового рынка. Они перестали быть безумной мечтой физиков, но они стали кошмаром инженеров (после Исаака Чуанга, Массачусетский технологический институт). Для них больше не является проблемой построить компьютер, работающий на большем количестве кубитов. Проблема состоит в том, чтобы создать такие квантовые биты, которые дадут приемлемый уровень ошибки. Исследователи из IBM считают, что прежде чем квантовые компьютеры будут иметь преимущество перед традиционными, вероятно, потребуется 3-5 лет. Одно можно сказать наверняка: квантовые компьютеры решат определённый класс проблем, но они не заменят классические «битовые» компьютеры. Даже там, где потребуется высочайшая вычислительная мощность, через несколько десятков лет мы встретим гибридные решения, которые объединят новые и старые компьютеры с алгоритмами глубокого обучения. И 20-qit Q System One — это всего лишь маленький шаг, который однажды решит проблемы, считающиеся в настоящее время слишком сложными.

Superposition and entanglement

In regular computers with silicon chips, information is stored in binary code, in bits. This means that a computing element can give one of two values — 1 or 0, ‘true’ or ‘false’.

The equivalent of a bit in a quantum computer is a quantum bit, or qubit. The higher the number of qubits, the higher the computing power in a particular quantum computer.

A quantum processor made up of qubits can be simultaneously in all possible states, but in each one — with a certain probability. This phenomenon — called quantum superposition — allows simultaneous processing of large volumes of data and can solve tasks that are too complex for regular computers.

The computing process is a system-wide transition, taking a predefined set of data into some new state, which is considered the solution.

Due to their quantum nature these computing elements are relatively unstable, and one of the main engineering tasks is creating qubits that will last as long as possible. There should be no influence on the quantum system while it is operating, as this could potentially affect the results.

The way a quantum computer works can be compared with the famous ‘Schrodinger’s Cat’ thought experiment. It’s impossible to say if a cat inside a box is dead or alive, which means that initially the cat is both dead and alive for the person conducting the experiment — with equal probability.

Another phenomenon at the core of quantum computing is quantum entanglement. Several objects can ‘synchronize’ their quantum states: when the state of one object changes, the elements connected to it instantly react by changing their states. This effect does not depend on the distance between objects, which means that quantum computers will have no limitations in information processing speed. What’s more, it’s possible to create a perfectly encrypted communication channel without any delays.

How Does Quantum Computing Work?

Don’t expect to build your own quantum computer like a DIY PC with parts scavenged from discount bins at the local electronics shop.

The handful of systems operating today typically require refrigeration that creates working environments just north of absolute zero. They need that computing arctic to handle the fragile quantum states that power these systems.

In a sign of how hard constructing a quantum computer can be, one prototype suspends an atom between two lasers to create a qubit. Try that in your home workshop!

Quantum computing takes nano-Herculean muscles to create something called entanglement. That’s when two or more qubits exist in a single quantum state, a condition sometimes measured by electromagnetic waves just a millimeter wide.

Crank up that wave with a hair too much energy and you lose entanglement or superposition, or both. The result is a noisy state called decoherence, the equivalent in quantum computing of the blue screen of death.

Будущее оптических вычислений

Разработка квантовых и фотонных компьютеров идет семимильными шагами. Исследователи надеются, что этот процесс может привести к разработке эксафлопсных компьютеров, то есть устройств, которые в 1000 раз быстрее самых быстрых современных вычислительных систем.

Голограмма. Изображение: ramazan balayev_Pixabay

Предполагается, что в ближайшем будущем появятся компьютеры без привычных плоских экранов. Информация на них будет выдаваться ​​через голограмму, зависшую в пространстве над клавиатурой. Это уже больше похоже на некую сюрреальность, когда объект из компьютера обладает всеми признаками настоящего предмета, кроме физической массы.

Такие системы позволят кратно ускорить развитие нейронных сетей и искусственного интеллекта, приближенного по своим функциям к работе человеческого мозга. Осталось лишь немного подождать.

Возможные преимущества

Мы все еще не ответили на вопрос, как все это можно использовать. Ответ заключается в том, что если вы соедините подходящим образом достаточное количество квантовых вентилей вместе, и если вы можете приготовить входные кубиты представляющие все возможные числа в вашей области входных данных, тогда на выходе массива квантовых вентилей вы, теоретически, можете измерить биты, которые представляют значения некоторой полезной функции.

Приведем пример. В 1994 году математик Питер Шор, в Bell Labs, разработал алгоритм факторизации (разложения на простые сомножители – добавлено переводчиком) очень больших чисел с использованием квантовых подпрограмм

Такая факторизация является жизненно важной проблемой в прикладной математике, потому что не существует аналитического решения: единственный способ – метод проб и ошибок, и вы можете всего лишь сделать алгоритм быстрее, выбрав более искусным образом соответствующие пробные числа. Соответственно, когда вы делаете входное число очень большим, количество проб и ошибок становится огромным

Не случайно это является основой алгоритмов криптографии, подобных RSA. RSA и шифры на основе эллиптических кривых трудно взломать, особенно потому, что так трудно факторизовать огромные числа.

Алгоритм Шора объединил некоторые традиционные вычисления с двумя квантовыми функциями, которые непосредственно ускоряют алгоритм в части метода проб и ошибок, по сути, перебирая все возможные числа в одно и то же время, демонстрация работы алгоритма приведена на рисунке 3. Одна из этих квантовых функций выполняет модульное возведение в степень, а другая осуществляет квантовую версию быстрого преобразования Фурье (БПФ). По причинам, которые мог бы полюбить только математик, если бы мы ввели набор из n кубитов, подготовленных так, что вместе они представляют все возможные двоичные числа до длины n, то в квантовых вентилях различные состояния в суперпозиции взаимно компенсируют друг друга – подобно интерференции двух когерентных световых лучей – и мы остаемся с определенной структурой состояний в выходном регистре.

Рисунок 3 – Алгоритм Шора зависит от квантовых подпрограмм для модульного возведения в степень и операций БПФ. (рисунок предоставлен Tyson Williams)

Эта процедура не дает простой множитель – это лишь промежуточный шаг, который позволяет вычислить возможный простой множитель. Такое расчет выполняется путем измерения кубитов, – отметим, что здесь мы находимся в области возможности, но не точности, измерения наиболее вероятного состояния каждого кубита – а затем, чтобы убедиться в правильности результата, необходимо произвести множество обычных вычислений на обычном процессоре (CPU).

Все это может показаться безнадежно сложным и неосуществимым. Но способность квантового возведения в степень и квантового БПФ работать одновременно со всеми возможными степенями числа 2, чтобы найти наибольший простой множитель, делает алгоритм Шора быстрее, чем обычные вычисления для больших чисел, даже при использовании довольно медленных теоретических квантовых подпрограмм.

Алгоритм Шора являет собой яркий образец квантовых вычислений, потому что он одновременно не похож на обычные вычисления и потенциально чрезвычайно важен. Но он не одинок. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) поддерживает большую библиотеку алгоритмов квантовых вычислений в своем Зоопарке Квантовых Алгоритмов, по адресу math.nist.gov/quantum/zoo/.

Являются ли эти алгоритмы просто математическими упражнениями? Пока еще слишком рано это утверждать. Но на практике исследователи действительно создали лабораторные квантовые калькуляторы с несколькими рабочими кубитами. Эти машины успешно разложили на простые множители число 15 (впервые это было сделано в IBM в 2001 году), вполне ожидаемо получив в результате 3 и 5, а текущий мировой рекорд составляет число 21 (сделано объединенной командой из нескольких институтов в 2012 году). Так что для небольших чисел идея работает. Пригодность такого подхода для больших чисел можно будет проверить только в будущем на машинах с большим количеством кубитов. И это переносит вопрос в практическую плоскость.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.