Комп'ютерні обчислення допомагають нам робити те, що ми не хочемо або не здатні робити в основному через складність, через імовірність мимовільних помилок і через час. Наприклад, зведення числа в 128-ю ступінь в розумі.
Призначення і використання квантового комп'ютера.
Що таке квантовий комп'ютер
Найпотужніший квантовий комп'ютер (КК) є - або, скоріше, був би - зовсім іншим механізмом, що відрізняється від всіх коли-небудь створених людиною. Найпотужніші сервера сьогодні виглядають як лише невелика частина того, що в кінцевому підсумку може зробити повноцінний квантовий комп'ютер.
Простою мовою, метою досліджень в області квантових обчислень є виявлення засобів прискорення виконання довгих хвиль інструкцій. Було б неправильно сказати, що КК запускає програми швидше, ніж ПК або сервер x86. «Програма» для КК - це зовсім інший порядок кодування, ніж будь-коли існуючий для двійкового процесора. Після народження комп'ютерів були виконані складні фізичні розрахунки, які в 1940-х роках допомогли США створити атомну бомбу. Після винаходу транзистора розміри цих систем були значно зменшені. Потім виникла ідея про паралельні процесорах, які працюють над завданнями одночасно.
Квантові обчислення - це просто наступний крок. Є дуже багато проблем, на вирішення яких сучасних комп'ютерів потрібно чимало часу, наприклад, рішення лінійної системи рівнянь, оптимізація параметрів для опорних векторів, пошук найкоротшого шляху через будь-якої довільний ділянку або пошук по неструктурованих списку. Зараз це досить абстрактні проблеми, але, якщо ви трохи розбираєтеся в алгоритмах або програмуванні, ви можете побачити, наскільки це може бути корисно. Як приклад, графічні процесори (GPU) були винайдені з єдиною метою рендеринга трикутників і подальшого їх об'єднання в двох або тривимірний світ. І тепер Nvidia - це компанія на мільярд доларів. Чи існують в даний час технології квантової обчислювальної техніки або якісь її історичні похідні, яким люди зараз знаходять хороше застосування? Іншими словами, що насправді робить квант і кому він служить безпосередньо?
Для чого потрібен квантовий комп'ютер
Навігація. Це одна з основних сфер застосування квантових комп'ютерів. Система GPS не може працювати скрізь на планеті, особливо під водою. КК вимагає, щоб атоми були переохолоджуючи і припинені в стані, яке робить їх особливо чутливими. У спробі отримати вигоду з цього, конкуруючі команди вчених прагнуть розробити свого роду квантовий акселерометр, який може дати дуже точні дані про рух. Найзначніші вклади в розвиток галузі робить французька Лабораторія фотоніки та нанонаук. Яскравий тому приклад - спроба створити гібридний компонент, який з'єднує акселерометр з класичним, а потім використовує фільтр верхніх частот для вирахування класичних даних з квантових даних. Результатом, якщо він буде реалізований, стане надзвичайно точний компас, який усуне зміщення і дрейф масштабного коефіцієнта, зазвичай пов'язані з гіроскопічними компонентами.
Сейсмологія. Та ж сама надзвичайна чутливість може використовуватися для виявлення наявності нафтових і газових відкладень, а також потенційної сейсмічної активності в місцях, де звичайні датчики до сих пір не використовувалися. У липні 2017 року QuantIC продемонстрував, як квантовий гравіметр виявляє присутність глибоко прихованих об'єктів шляхом вимірювання коливань в гравітаційному полі. Якщо такий пристрій зробити не тільки практичним, але і портативним, команда вважає, що воно може стати безцінним в системі раннього попередження для прогнозування сейсмічних подій і цунамі. Фармацевтичні препарати. На передньому плані дослідження в області боротьби з такими хворобами, як хвороба Альцгеймера і розсіяний склероз; вчені використовують програмне забезпечення, що моделює поведінку штучних антитіл на молекулярному рівні.
Фізика. Це насправді причина самого існування концепції. Під час свого виступу в 1981 році в Каліфорнійському технологічному інституті професор Річард Фейнман, батько квантової електродинаміки (КЕД), припустив, що єдиний спосіб побудувати успішну симуляцію фізичного світу на квантовому рівні - це машина, що підкоряється законам квантової фізики і механіки. Саме під час цієї промови професор Фейнман пояснив, і весь інший світ усвідомив, що комп'ютеру буде недостатньо генерувати таблицю ймовірностей і як би кидати кубики. Більш того, для отримання результатів, які самі фізики не назвали б апокрифічними, потрібен був би механізм, який вів себе в тому ж ключі, що і поведінку, яку він мав намір імітувати.
Машинне навчання. Основна теорія прихильників полягає в тому, що такі системи можуть бути пристосовані для «вивчення» патернів станів у величезних паралельних хвилях, а не в послідовних сканування. Звичайна математика може описати безліч можливих результатів у вигляді векторів в дико-конфігураційному просторі. Розшифровка. Ось, нарешті, прорив, який кинув перший яскраве світло на такі обчислення. Що робить коди шифрування настільки складними навіть для сучасних класичних комп'ютерів, так це те, що вони засновані на факторах надзвичайно великого числа, які потребують надмірної кількості часу для вгадування методом підбору. Працюючий КК повинен ізолювати і ідентифікувати такі фактори в лічені хвилини, що робить систему кодування RSA ефективно застарілою.
Шифрування. Концепція, яка називається розподілом квантових ключів (QKD), дає теоретичну надію, що типи відкритих і закритих ключів, які ми використовуємо сьогодні для шифрування повідомлень, можуть бути замінені ключами, які підлягають ефекти заплутаності. Теоретично, будь-яка третя особа, зламавши ключ і спробувати прочитати повідомлення, негайно знищило б повідомлення для всіх. Звичайно, цього може бути достатньо. Але теорія QKD заснована на величезному допущенні, яке ще належить перевірити в реальному світі: що значення, отримані за допомогою заплутаних кубітів, самі заплутані і схильні до ефектів, куди б вони не прямували.
Чим відрізняється квантовий комп'ютер від звичайного
Класичний комп'ютер виконує обчислення, використовуючи біти, які дорівнюють 0 ( «вимкнено») і 1 ( «включено»). Він використовує транзистори для обробки інформації в вигляді послідовностей нулів і так званих комп'ютерних довічних мов. Більше транзисторів, більше можливостей обробки - це основна відмінність. КК використовує закони квантової механіки. Так само, як класичний комп'ютер, який використовує нулі і одиниці. Ці стани можуть бути досягнуті в частинках завдяки їх внутрішньому кутовому моменту, званого спіном. Два стану 0 і 1 можуть бути представлені в спині частинки. Наприклад, обертання за годинниковою стрілкою представляє 1, а проти годинникової стрілки представляє 0. Перевага використання КК полягає в тому, що частка може перебувати в кількох станах одночасно. Це явище називається суперпозицією. Через це явища КК може одночасно досягати стану 0 і 1. Таким чином, в класичному комп'ютері інформація виражається через одне число 0 або 1. КК використовує виходи, які описуються як 0 і 1 одночасно, що дає велику обчислювальну потужність.
Як влаштований квантовий комп'ютер
Квантові обчислення - це обчислення з використанням квантово-механічних явищ, таких як суперпозиція і заплутування. КК - це пристрій, який виконує квантові обчислення і складається з мікропроцесорів. Такий комп'ютер повністю відрізняється від довічних цифрових електронних комп'ютерів на основі транзисторів і конденсаторів. У той час як звичайні цифрові обчислення вимагають, щоб дані були закодовані в двійкові цифри (біти), кожна з яких завжди знаходиться в одному з двох певних станів (0 або 1), квантові обчислення використовують біти або кубіти, які можуть перебувати в суперпозиції. Пристрій квантової машина Тьюринга є теоретичною моделлю такого комп'ютера і також відома як універсальний КК. Область квантових обчислень була розпочата роботами Пола Бениоффа і Юрія Маніна в 1980 році, Річарда Фейнмана в 1982 році, а також Девіда Дойча в 1985 році.
Принцип роботи квантового комп'ютера
Починаючи з 2018 року, принцип роботи квантових комп'ютерів все ще перебуває в зародковому стані, але були проведені експерименти, в яких квантові обчислювальні операції виконувалися з дуже невеликим числом квантових бітів. Тривають як практичні, так і теоретичні дослідження, і багато національних урядів і військові агентства фінансують дослідження в області квантових обчислень в додаткових зусиллях по розробці квантових комп'ютерів для цивільних, ділових, торговельних, екологічних і національних цілей безпеки, таких як криптоаналіз. Великомасштабні квантові комп'ютери теоретично могли б працювати вирішувати певні проблеми набагато швидше, ніж будь-які класичні комп'ютери, які використовують навіть найкращі на сьогоднішній день алгоритми, такі як целочисленная факторизация з використанням алгоритму Шора (який є квантовим алгоритмом) і моделювання квантового безлічі тіл системи.
Існують квантові дії, такі як алгоритм Саймона, які працюють швидше, ніж будь-який можливий імовірнісний класичний алгоритм. Класичний комп'ютер може в принципі (з експонентними ресурсами) моделювати квантовий алгоритм, оскільки квантові обчислення не порушують тезу Черча-Тьюринга. З іншого боку, квантові комп'ютери можуть бути в змозі ефективно вирішувати проблеми, які не практично можливо на класичних комп'ютерах.