Квантовые вычисления — все что вы не могли понять и стеснялись спросить

Квантовые вычисления — все что вы не могли понять и стеснялись спросить

Нет комментариев
Блог Cloudcoin

Внимание! Научно-популярный лонгрид об одной из самых актуальных тем современности — квантовых вычислениях, квантовых компьютерах и о том, что нас ждет в будущем.

Почему нас так интересует эта тема? Потому что блокчейн основан на алгоритмах шифрования, принцип работы и распространения криптовалют лежит на использовании вычислительных мощностей майнеров. Квантовые компьютеры перевернут этот мир с ног на голову.

Поэтому устраивайтесь поудобнее и запаситесь временем.

Квантовые вычисления для любопытных

Это несложно понять, но сложнее представить

Возможно вы уже слышали о квантовых вычислениях и квантовых компьютерах, это должно быть интересно, но совершенно не понятно как это работает и что вообще означает. На самом деле что угодно квантовое кажется слишком сложным.

На самом деле это не так. Проблема в том, что все написанное о квантовых вычислениях в технических и научно-популярных журналах представляет собой полную чушь.

Вот стандартное объяснение что это такое:

В обычных вычислениях компьютеры оперируют триггерами — битами, которые имеют бинарное значение 0 или 1. За счет сочетания множества битов можно хранить данные или выполнять инструкции. Все это происходит в обычных компьютерах, мобильных телефонах, в калькуляторах.

В квантовых компьютерах триггеры иного рода, каждый из них представляет несколько значений одновременно.

Вот например объяснение от премьер-министра Канады (полагаем, достаточно авторитетное):

Обычные компьютеры работают очень просто — в зависимости от того, идет ли ток по проводнику или нет — бит принимает значение 0 или 1. Для квантового состояния в один бит возможно поместить намного больше информации, квантовое состояние намного сложнее, потому как мы можем наблюдать дуализм представления в виде частицы или волны.

Значения кубитов (квантовых битов) основываются на квантовом эффекте суперпозиции (здесь можно привести в качестве примера кота Шреддингера). Кроме этого, бывает другой квантовый эффект, который называется неопределенностью, он позволяет связывать кубиты между собой. Если поместить кубиты в состояние суперпозиции и связать между собой, то кубиты синхронизируются. Даже если они расположены в разных частях вселенной — изменение состояния одного кубита приводит к изменению состояния других, таким образом, все связанные (спутанные) кубиты танцуют в унисон. Эйнштейн от такого эффекта откровенно ужаснулся.

Не смотря на такой невообразимый ужас, когда кубиты выстраиваются таким образом, то возможно производить множество вычислений одновременно. Внимание! Не со скоростью света, с которой распространяется магнитное поле в традиционных триггерах и битах, а моментально и одновременно.

Обычный компьютер производит вычисления примерно также, как вы пытаетесь выбраться из лабиринта — перебираете по очереди все возможные ходы, упираясь в тупики, возвращаясь и продвигаясь вперед до тех пор, пока не найдете выход.

Квантовый компьютер может проверить все возможные ходы за раз. Кубиты представляют собой все возможные значения вероятностей. Чем больше кубитов — тем больше вероятностей, точно также как в лабиринте — чем больше лабиринт, тем больше в нем ходов, тем сложнее из него выбраться.

Если соединить 1000 кубитов в суперпозиции, то это позволит представить все числа от 1 до 10 в 300 степени. Для сравнения, видимая часть вселенной содержит от 10 в 78 до 10 в 82 степени атомов.

 

Сложно да? На этом месте обычно мозг начинает взрываться.

А журналисты, которые пишут в научпоп-журналы, на этом месте начинают заблуждаться. Они пишут, что квантовые компьютеры дадут нам возможности для создания умопомрачительных телефонов, научат безошибочно предсказывать погоду, котировки акций и пробки на дорогах, создавать искусственный интеллект и творить мир во всем мире. Но к сожалению, это все — полная чушь.

Проблемы начинаются тогда, когда вы попытаетесь измерить, что происходит с кубитом, описать или обозначить его состояние, открыть ящик с котом Шредингера.

Представьте уличного наперсточника, только у него не три наперстка, а тысяча. И шарик не один, и вообще вместо шарика под наперстком может быть орешек или ягодка. Когда все наперстки перевернуты вверх дном, то комбинация орешков и ягодок под ними может быть какой угодно, особенно если мы точно не зафиксировали количество орешек и ягодок. Могут быть все орешки, могут быть все ягодки, а могут быть и те и другие в произвольном соотношении. Так они находятся в состоянии суперпозиции. Раскрывая наперстки — мы видим всю картину, количество и порядок орешков и ягодок. Изначально при перевернутых наперстках у вас было множество вероятностных комбинаций, но как только вы их раскрыли — результат представляет собой набор случайных значений. То же самое можно проделать на обычном компьютере или бросая монетку.

О следующем вы наверняка не читали в научпоп-журналах. Штука в том, что кубит не находится в состоятии 0 и 1 одновременно, такого нет. Вместо этого кубит представляет собой градиент численных значений — амплитуду вероятностей, они представляют собой положительные, отрицательные и комплексные значения. Визуально кубит можно представить в виде сферы (см. рис)

В состоянии связанности и суперпозиции кубиты представляют собой квантовый регистр. В ходе вычислений в квантовом регистре происходит выстраивание амплитуд кубитов таким образом, что положительные значения амплитуды одних кубитов нейтрализуют отрицательные амплитуды других кубитов, таким образом происходит отмена неверных вычислений (положительные амплитуды кубитов наоборот усиливают друг друга), таким образом вырисовываются пути, ведущие к правильному ответу.

Этот процесс можно представить в виде множества разных паттернов волн в океане, которые в конечном итоге собираются в одно течение, ведущее к правильному ответу. Потому как мы не знаем решения заранее, то найти его — не значит найти какой-то один правильный поток в этом океане (как например можно найти правильный путь из лабиринта), а скорее сформировать его из целого набора волн, которые вместе приводят к одному большому всплеску. То есть, океан — это не набор ходов лабиринта, которые уже сформированы, они формируются в ходе решения задачи, волны перемешиваются между собой, складываются друг с другом и нейтрализуются, приводя тем самым к решению.

Теперь понятна умозрительная картина?

Сейчас будет еще сложнее и вы окончательно запутаетесь.

Кубит — будто вздорная девица, которой все кругом мешают, поэтому ее нужно держать в покое и уединении. Если будет замечена легкая вибрация от соседнего атома — кубит разгневается и выйдет из состояния суперпозиции. Поэтому основная сложность заключается в поддержании деликатного состояния суперпозиции и спутанности кубитов в течение промежутка времени, достаточного для проведения вычислений. Этот промежуток времени называется временем когерентности.

Другими словами, квантовые вычисления — это не просто совершенно новый способ проведения расчетов, но еще и невероятно сложная задача в инженерном плане.

 

Это не значит, что квантовые вычисления позволят смартфонам работать быстрее или приведут к новому поколению голосовых команд и ассистентов. Они не помогут лучше играть в Го или шахматы, рассчитывать полеты самолетов или доказывать теоремы. Во многих подобных случаях квантовые компьютеры способны сделать намного меньше, чем от них ожидают.

Зачем тогда их создавать вообще? Особенно учитывая тот фактор, что создание квантового компьютера, подходящего для решения прикладных задач, — это крайне сложная технология. И ведь над ней активно работает множество инженеров и ученых по всему миру. Зачем?

А причина в том, что существует два особенных типа задач, которые квантовые компьютеры способны решать лучше всего.

Первый тип — это задачи криптографии, крайне перспективная и денежная отрасль, которая запустит бизнес на квантовых компьютерах. На сегодняшний день многие системы шифрования основываются на перемножении больших чисел и их поиске для того, чтобы получить взломостойкий шифр. Квантовый компьютер способен проделывать подобные операции намного быстрее. Самый большой интерес заключается в возможности дешифрования данных. В настоящий момент безопасность шифрования заключается в том, что на расшифровку данных требуются несоизмеримо большие вычислительные мощности и огромное время, измеряемое в тысячелетиях. Квантовые компьютеры способны раскрыть такой шифр намного быстрее, примерно за то же время, что затрачено на само шифрование. Именно поэтому банковские и технологические компании, а также шпионы вкладывают огромные деньги в развитие квантовых вычислений.

Второй тип задачи заключается в том, что квантовые компьютеры способны эмулировать различные квантовые системы. И именно эта возможность вероятно перевернет наше представление о биологических системах, сверхпроводимых материалах, или выведет на новый уровень понимания квантовой химии, не говоря уже о самой квантовой физике.

Есть ли опытные образцы?

В начале мая 2017 года исследователи разработали программируемый квантовый компьютер, состоящий из шести кубитов, а также несколько нестабильных экспериментальных образцов, состоящих из 10-20 кубитов. Исследователи уверенны в том, что при разработке квантовых компьютеров, состоящих из 30-100 кубитов, их можно выводить в коммерческое использование, и вероятно это произойдет в ближайшие пару лет. Наиболее многообещающими выглядят проекты Microsoft, IBM, Оксфордского университета и возможно нескольких лабораторий в Китае. Однако, судя по всему в лидерах будет проект команды Google, работающей под началом Джона Мартиниса. Среди их последних разработок есть чип, состоящий из шести кубитов, выстроенных в ряд 2х3.

Кроме этого, есть компания D-Wave, которая часто фигурирует в заголовках различных изданий. В начале этого года они заявили о том, что построили квантовый компьютер, состоящий из 2000 кубитов. Однако, разработанный ими процессор основывается лишь на квантовом эффекте, поэтому он не может считаться настоящим квантовым компьютером. Основа технологии — это процесс так называемого отжига, происходящий во множестве сверхпроводящих петель магнитного поля, которые взаимодействуют друг с другом. Как это происходит — когда энергия магнитных полей высокая, то сверхпроводящие петли взаимодействуют друг с другом, легко переключая свою полярность туда и обратно. Как только энергия магнитного поля уменьшается — магниты начинают принимать какое-либо определенное значение до тех пор, пока энергия магнитного поля не снизится до минимального уровня. После этого магниты стабильны и каждый имеет одно значение, которое можно считать, это и есть результат вычисления.

Технически эти петли магнитного поля нельзя считать кубитами, они не находятся в состоянии запутанности, их квантовое состояние гораздо более хрупкое, а результаты вычислений неточны. Однако, если даже такая технология может иметь практическое применение, то и сомнений никаких не остается, что квантовые компьютеры способны решать практические задачи экспоненциально быстрее, чем обычные компьютеры.

D-Wave выбрала стратегию в получении максимального количества кубитов как можно быстрее, не особо заботясь об исправлении ошибок и корректности работы. У них получился достаточно грязный результат, зато быстро. Другие же исследователи пытаются добиться чистого результата. D-Wave пошли на огромный риск за счет того, что стали первыми в коммерческом использовании компьютеров, основанных на квантовом эффекте, волновая система, которую они используют — просто эмулирует квантовые вычисления. Однако, даже такое решение — это несколько больше, чем просто появление еще одного мощного компьютера.

 

Квантовые компьютеры — это не совсем о технологиях, как например разработка гаджетов виртуальной реальности или нового микрочипа. Это — научное решение, наподобие Большого Адронного Коллайдера или расшифровки генотипа. Если проблема разработки квантовых компьютеров будет решена, то большая часть зашифрованных данных в мире может быть расшифрована. Алгоритм шифрования RSA потеряет свое значение, блокчейн окажется раскрытым и прозрачным для каждого, произойдет революция (или девальвация) в криптографии.

Но кроме этого, появится возможность в эмуляции жизни вселенной в масштабе одного атома, могут быть получены важные открытия о квантовой гравитации и многом другом. И это действительно важные применения квантовых компьютеров.

Поэтому, если вы увидите заголовки в СМИ, повествующих о том, что какой-либо банк инвестировал в развитие квантовых вычислений, или же какая-либо лаборатория в Китае добилась превосходства в проектировании квантовых компьютеров — копайте глубже. Возможно дело обстоит совсем иначе, и суть открытий лежит в иной области.

Проблема квантовых вычислений — одна из самых интересных задач в современной науке. Обычно человечество изобретает новые механизмы для подтверждения гипотез, однако разработка масштабируемого квантового компьютера приведет к открытию невообразимых вычислительных мощностей вселенной прямо на поверхности.

Оставьте комментарий