Что такое квантовые вычисления?

Thursday, May 02, 2024

Странная и противоречивая физика квантовых вычислений – это отнюдь не футуристическая несбыточная мечта, это гораздо ближе к реальности, чем многие предполагают.

Эта форма вычислений привлекла миллиарды долларов инвестиций от некоторых из крупнейших игроков в этом секторе и является одной из самых быстрорастущих, хотя и довольно тихих областей инноваций в сфере технологий.

В своей основной форме, квантовые вычисления относятся к чрезвычайно мощным машинам, способным обрабатывать огромные массивы данных благодаря опоре на теорию квантовой механики в том, как они построены.

Примером живого, дышащего квантового компьютера является 72- кубитовый квантовый чип Google, названный Bristlecone, самый мощный в своем роде, созданный на сегодняшний день. Чип был анонсирован еще в марте 2018 года и, несмотря на его мощность, не совсем соответствует скачку, необходимому для победы над самыми быстрыми классическими компьютерами.

Чипы, такие как Bristlecone, создаются множеством компаний, в том числе лидерами отрасли IBM и D-Wave, в качестве моделей для будущих квантовых компьютеров, которые инженеры будут стремиться получить на относительно диковинной территории; машины, которые имеют сотни тысяч или миллионы кубитов. Технология постоянно развивается, так как эти фирмы стремятся создавать машины, способные решать сложные проблемы за считанные секунды, в то время как у обычного компьютера уйдут десятилетия.

Но как на самом деле работают эти загадочные машины, часто вызывающие путаницу, и каковы последствия для будущего технологий?

Что отличает квантовые вычисления от «классических» вычислений?

Квантовые вычисления имеют чрезвычайно богатую историю, основанную на хардкорной теоретической физике; более конкретно, квантовая механика. И после десятилетий исследований и разработок, проведенных рядом физиков и инженеров, у нас теперь есть несколько сравнительно небольших, но многообещающих, машин, которые служат моделями для того, какими могут стать квантовые компьютеры.

Компьютеры, какими мы их знаем, - от громоздких настольных компьютеров до iPhone X - работают практически одинаково, независимо от их мощности или размера. Они выполняют операции, сохраняя информацию в виде обычных битов, принимая форму машинного кода 0 или 1.

Но поскольку вычисления выполняются линейно - возможности последовательного решения сложных математических задач - занимают большое время. Квантовые компьютеры, с другой стороны, могут выполнять множество вычислений одновременно и производить результаты с гораздо большей скоростью.

Они отличаются от классических компьютеров в том смысле, что они основаны на совершенно другом наборе научных принципов; а именно странное и нелогичное поведение субатомного мира.

Как может субатомная материя, как, например, фотоны, вести себя и как частицы и как волны - существующие более чем в одном состоянии одновременно? Добавьте это к сбивающей с толку идее о том, что физические свойства субатомных частиц не существуют, если они не наблюдаются непосредственно. Между тем квантовая запутанность объясняет, как частицы могут беспрепятственно общаться друг с другом независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга.

Эти принципы трудно изменить, потому что они в корне сбивают с толку. Даже лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман заметил: «Я думаю, что могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику».

Тем не менее, независимо от того, насколько они могут быть пугающими, исследователи пытались создать физическое проявление этих свойств в машинах, которые мы называем квантовыми компьютерами.

Как работают квантовые компьютеры?

В то время как классические компьютеры работают, кодируя информацию в биты, квантовые компьютеры работают с точно названными квантовыми битами или кубитами. Но есть большая разница между ними.

Бит может быть закодирован как 1 или 0, но кубиты могут принимать форму 1, 0 или того, что называется «квантовой суперпозицией 1 и 0»; кубит существует в обоих состояниях одновременно.

Это не означает, что кубит равен 1 и 0 одновременно - это не так. Скорее, при считывании суперпозиция разрушается, и вам дается вероятность обнаружения либо 1, либо 0. До сих пор так и было. Но как это работает на практике?

Два бита, соединенные вместе, могут существовать как 00, 01, 10 или 11; и только одно из этих состояний одновременно. Однако квантовый компьютер с двумя кубитами может иметь все четыре состояния - 00, 01, 10 и 11 - одновременно.

Как работают квантовые компьютеры

Когда несколько кубитов работают в тандеме для обработки вычислений, комбинация состояний, которые могут существовать одновременно, возрастает экспоненциально. Например, машина с тремя кубитами может существовать в восьми состояниях, четыре в 16 состояниях, а машина с силой в 32 кубита может существовать в квантовой суперпозиции почти 4,3 миллиарда одновременных состояний.

Доктор IBM Талия Гершон (Talia Gershon) иллюстрирует расширенные возможности квантового компьютера, сравнивая его с размещением гостей за обеденным столом: сколько существует возможностей для размещения десяти человек и как лучше их расположить?

В то время как классический компьютер будет пытаться решить эту проблему, исследуя каждую возможную комбинацию по порядку, а затем сравнивая их, квантовый компьютер может моделировать все 3,6 миллиона комбинаций одновременно - и найти лучший ответ почти мгновенно. Именно по этой причине квантовые вычисления означают не только создание более быстрого компьютера, но и работу, которая принципиально отличается от классического компьютера.

Как физически выглядит квантовый компьютер и как он построен?

Один кубит сам по себе включает в себя то, что физики называют двухуровневой квантово-механической системой; отдельная субатомная частица, которая может переходить из основного состояния в возбужденное состояние при приложении энергии.

Есть несколько кандидатов - включая фотоны, ядро или даже электрон, и у каждого будет 1 и 0 эквивалент. Ядро, например, представляет «1 или 0» через свое магнитное направление; ускорение или замедление.

В одном эксперименте ученые использовали один атом фосфора, тщательно инкапсулированный в кремниевую микросхему и установленный рядом с крошечным транзистором, в то время как два года назад MIT экспериментировал с кубитом, который основывался на сбрасывании электрона с этого атома и подвешивании его в свободном пространстве с использованием электромагнитного поля.

Электрон, если использовать этот пример, сначала подвешивается в сильном магнитном поле, используя сверхпроводящий магнит или большой соленоид, а затем охлаждается до почти абсолютного нуля. Поскольку при комнатной температуре любая частица, используемая в качестве кубита, будет дико колебаться между ускорением и замедлением, или 1 и 0, температуры 0,0015 Кельвина (оттенок выше -273 градусов по Цельсию) необходимы, чтобы зафиксировать ее либо при вращении или замедлении.

Только теперь, в этом контексте, энергия может быть приложена к электрону - доставляемому через микроволны, резонирующие с частотой магнитного поля, - чтобы записывать информацию и изменять ее с замедления до ускорения или наоборот.

Квантовая суперпозиция достигается путем удара по кубиту импульсом энергии, а затем остановки, так что электрон находится где-то между ускорением и замедлением. Суперпозиция означает, что кубиты могут существовать во многих одновременных состояниях для обработки информации и выполнения вычислений - когда показания считываются с транзистора.

Кстати, причина, по которой квантовые компьютеры являются такими большими, несмотря на то что по большей части они работают с крошечными субатомными частицами, заключается в механизме, необходимом для достижения почти абсолютного нуля – «холодильнике». По этой причине, следовательно, вероятность создания квантового компьютера размером с смартфон настолько мала, насколько вы можете себе представить.

Что квантовые вычисления могут помочь нам достичь?

Хотя квантовые компьютеры, скорее всего, никогда не будут вписываться в обычные потребительские и бизнес-технологии, которые мы используем ежедневно, например, смартфоны, это не означает, что такие, как мы, не могут получить к ним доступ, и даже использовать их.

Например, опыт IBM в области Q позволяет любому - от скучающих офисных работников, ищущих отвлечения, до квантовых исследователей - поиграть с настоящим квантовым компьютером, размещенным в исследовательской лаборатории IBM. Используя свою облачную платформу, пользователи могут разрабатывать свои собственные алгоритмы и проводить эксперименты.

Но каковы некоторые из более практичных способов использования квантовых компьютеров, если и когда они станут немного более распространенными в ближайшие годы? Существует несколько приложений - от того, что называется оптимизацией, до биомедицинского моделирования.

Что квантовые вычисления могут помочь нам достичь

Поскольку квантовые компьютеры в основном предназначены для решения чрезвычайно сложных математических задач, оптимизация, возможно, является наиболее распространенным потребителем, и средний бизнес будет иметь с ними дело через модель удаленного доступа, используемый в настоящее время IBM, или что-то подобное.

Пример обеденного стола, использованный доктором Талией Гершон из IBM, является прекрасным примером такого рода проблем. Другим примером может быть логистическая компания, которая хочет проложить самый эффективный маршрут через ряд городов; скажем, более 200.

Дальнейшие приложения могут быть в картировании поведения материалов, а также в обучении системам машинного обучения гораздо более эффективно, чем мы можем сейчас.

Независимо от проблем, которые они могут помочь нам решить, исследователи согласны с тем, что квантовые компьютеры не будут очень эффективными, пока на этих машинах не будут размещаться тысячи и миллионы кубитов, и при этом будет поддерживаться низкий уровень ошибок. IBM даже ввела термин «квантовый объем» как способ оценить, насколько эффективным может быть квантовый чип, принимая во внимание ряд факторов, выходящих за рамки количества кубитов.

Хотя размер чипа Bristlecone составляет всего 72 кубита, это значительный шаг вперед по сравнению с тем, что было десять лет назад, и ожидается, что прогресс в этой области только ускорится.

Однако, что делает чип Google таким многообещающим, так это низкий уровень ошибок. Это имеет решающее значение для перспектив расширения квантовых компьютеров, поэтому неудивительно, что компания видит в этом план для масштабируемых машин.

В то время как усилия всей отрасли только накапливаются, перспективы создания более качественных и эффективных квантовых компьютеров в недалеком будущем остаются весьма многообещающими.