Принцип действия и область применения квантового компьютера

Компьютерные вычисления помогают нам делать то, что мы не хотим или не способны делать в основном из-за сложности, из-за вероятности непроизвольных ошибок и из-за времени. Например, возведение числа в 128-ю степень в уме.

Что такое квантовый компьютер и зачем он нужен

Назначение и использование квантового компьютера.

Что такое квантовый компьютер

Самый мощный квантовый компьютер (КК) является – или, скорее, был бы – совершенно иным механизмом, отличающимся от всех когда-либо созданных человеком. Мощнейшие сервера сегодня выглядят как лишь небольшая часть того, что в конечном итоге может сделать полноценный квантовый компьютер.

Простым языком, целью исследований в области квантовых вычислений является обнаружение средств ускорения выполнения длинных волн инструкций. Было бы неправильно сказать, что КК запускает программы быстрее, чем ПК или сервер x86. «Программа» для КК – это совершенно другой порядок кодировки, чем когда-либо существующий для двоичного процессора. После рождения компьютеров были выполнены сложные физические расчёты, которые в 1940-х годах помогли США создать атомную бомбу. После изобретения транзистора размеры этих систем были значительно уменьшены. Затем возникла идея о параллельных процессорах, работающих над задачами одновременно.

Квантовые вычисления – это просто следующий шаг. Есть очень много проблем, на решение которых современным компьютерам требуется значительное время, например, решение линейной системы уравнений, оптимизация параметров для опорных векторов, поиск кратчайшего пути через какой-либо произвольный участок или поиск по неструктурированному списку. Сейчас это довольно абстрактные проблемы, но, если вы немного разбираетесь в алгоритмах или программировании, вы можете увидеть, насколько это может быть полезно. В качестве примера, графические процессоры (GPU) были изобретены с единственной целью рендеринга треугольников и последующего их объединения в двух или трёхмерный мир. И теперь Nvidia – это компания на миллиард долларов. Существуют ли в настоящее время технологии квантовой вычислительной техники или какие-то её исторические производные, которым люди сейчас находят хорошее применение? Иными словами, что на самом деле делает квант и кому он служит напрямую?

Что такое квантовый компьютер

Для чего нужен квантовый компьютер

Навигация. Это одна из основных сфер применения квантовых компьютеров. Система GPS не может работать везде на планете, особенно под водой. КК требует, чтобы атомы были переохлаждены и приостановлены в состоянии, которое делает их особенно чувствительными. В попытке извлечь выгоду из этого, конкурирующие команды учёных стремятся разработать своего рода квантовый акселерометр, который может дать очень точные данные о движении. Самые значительные вклады в развитие отрасли делает французская Лаборатория фотоники и нанонаук. Яркий тому пример – попытка создать гибридный компонент, который соединяет акселерометр с классическим, а затем использует фильтр верхних частот для вычитания классических данных из квантовых данных. Результатом, если он будет реализован, станет чрезвычайно точный компас, который устранит смещение и дрейф масштабного коэффициента, обычно связанные с гироскопическими компонентами.

Сейсмология. Та же самая чрезвычайная чувствительность может использоваться для обнаружения наличия нефтяных и газовых отложений, а также потенциальной сейсмической активности в местах, где обычные датчики до сих пор не использовались. В июле 2017 года QuantIC продемонстрировал, как квантовый гравиметр обнаруживает присутствие глубоко скрытых объектов путём измерения колебаний в гравитационном поле. Если такое устройство сделать не только практичным, но и портативным, команда считает, что оно может стать бесценным в системе раннего предупреждения для прогнозирования сейсмических событий и цунами. Фармацевтические препараты. На переднем плане исследования в области борьбы с такими болезнями, как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз; учёные используют программное обеспечение, моделирующее поведение искусственных антител на молекулярном уровне.

Физика. Это на самом деле причина самого существования концепции. Во время своего выступления в 1981 году в Калифорнийском технологическом институте профессор Ричард Фейнман, отец квантовой электродинамики (КЭД), предположил, что единственный способ построить успешную симуляцию физического мира на квантовом уровне – это машина, подчиняющаяся законам квантовой физики и механики. Именно во время этой речи профессор Фейнман объяснил, и весь остальной мир осознал, что компьютеру будет недостаточно генерировать таблицу вероятностей и как бы бросать кубики. Более того, для получения результатов, которые сами физики не назвали бы апокрифическими, потребовался бы механизм, который вёл себя в том же ключе, что и поведение, которое он намеревался имитировать.

Процессор квантового компьютера

Машинное обучение. Основная теория сторонников заключается в том, что такие системы могут быть приспособлены для «изучения» паттернов состояний в огромных параллельных волнах, а не в последовательных сканированиях. Обычная математика может описать множество вероятных результатов в виде векторов в дико-конфигурационном пространстве. Расшифровка. Вот, наконец, прорыв, который бросил первый яркий свет на такие вычисления. Что делает коды шифрования столь сложными даже для современных классических компьютеров, так это то, что они основаны на факторах чрезвычайно большого числа, требующих чрезмерного количества времени для угадывания методом подбора. Работающий КК должен изолировать и идентифицировать такие факторы в считанные минуты, что делает систему кодирования RSA эффективно устаревшей.

Шифрование. Концепция, называемая распределением квантовых ключей (QKD), даёт теоретическую надежду, что типы открытых и закрытых ключей, которые мы используем сегодня для шифрования сообщений, могут быть заменены ключами, которые подлежат эффекты запутанности. Теоретически, любое третье лицо, взломавшее ключ и попытавшееся прочитать сообщение, немедленно уничтожило бы сообщение для всех. Конечно, этого может быть достаточно. Но теория QKD основана на огромном допущении, которое ещё предстоит проверить в реальном мире: что значения, полученные с помощью запутанных кубитов, сами запутаны и подвержены эффектам, куда бы они ни направлялись.

Чем отличается квантовый компьютер от обычного

Классический компьютер выполняет вычисления, используя биты, которые равны 0 («выключено») и 1 («включено»). Он использует транзисторы для обработки информации в виде последовательностей нулей и так называемых компьютерных двоичных языков. Больше транзисторов, больше возможностей обработки – это основное отличие. КК использует законы квантовой механики. Так же, как классический компьютер, который использует нули и единицы. Эти состояния могут быть достигнуты в частицах благодаря их внутреннему угловому моменту, называемому спином. Два состояния 0 и 1 могут быть представлены в спине частицы. Например, вращение по часовой стрелке представляет 1, а против часовой стрелки представляет 0. Преимущество использования КК состоит в том, что частица может находиться в нескольких состояниях одновременно. Это явление называется суперпозицией. Из-за этого явления КК может одновременно достигать состояния 0 и 1. Таким образом, в классическом компьютере информация выражается через одно число 0 или 1. КК использует выходы, которые описываются как 0 и 1 одновременно, что даёт большую вычислительную мощность.

Вычислительная мощность компьютера

Как устроен квантовый компьютер

Квантовые вычисления – это вычисления с использованием квантово-механических явлений, таких как суперпозиция и запутывание. КК – это устройство, которое выполняет квантовые вычисления и состоит из микропроцессоров. Такой компьютер полностью отличается от двоичных цифровых электронных компьютеров на основе транзисторов и конденсаторов. В то время как обычные цифровые вычисления требуют, чтобы данные были закодированы в двоичные цифры (биты), каждая из которых всегда находится в одном из двух определённых состояний (0 или 1), квантовые вычисления используют биты или кубиты, которые могут находиться в суперпозиции. Устройство квантовой машина Тьюринга является теоретической моделью такого компьютера и также известна как универсальный КК. Область квантовых вычислений была начата работами Пола Бениоффа и Юрия Манина в 1980 году, Ричарда Фейнмана в 1982 году, а также Дэвида Дойча в 1985 году.

Принцип работы квантового компьютера

Начиная с 2018 года, принцип работы квантовых компьютеров все ещё находится в зачаточном состоянии, но были проведены эксперименты, в которых квантовые вычислительные операции выполнялись с очень небольшим числом квантовых битов. Продолжаются как практические, так и теоретические исследования, и многие национальные правительства и военные агентства финансируют исследования в области квантовых вычислений в дополнительных усилиях по разработке квантовых компьютеров для гражданских, деловых, торговых, экологических и национальных целей безопасности, таких как криптоанализ. Крупномасштабные квантовые компьютеры теоретически могли бы работать решать определённые проблемы гораздо быстрее, чем любые классические компьютеры, которые используют даже самые лучшие на сегодняшний день алгоритмы, такие как целочисленная факторизация с использованием алгоритма Шора (который является квантовым алгоритмом) и моделирование квантового множества тел системы.

Существуют квантовые действия, такие как алгоритм Саймона, которые работают быстрее, чем любой возможный вероятностный классический алгоритм. Классический компьютер может в принципе (с экспоненциальными ресурсами) моделировать квантовый алгоритм, поскольку квантовые вычисления не нарушают тезис Черча-Тьюринга. С другой стороны, квантовые компьютеры могут быть в состоянии эффективно решать проблемы, которые не практически возможно на классических компьютерах.

  • ВКонтакте
  • facebook
  • обычная форма
  • Оставить комментарий

сети
программы
Smart TV
ос
не нашли ответ?

Ваше имя (обязательно)

Ваш e-mail (обязательно)

Тема

Сообщение