Сегодня на многих ресурсах ежедневно публикуется огромное количество материалов, в которых авторы сулят нам светлое будущее квантовых компьютеров. Но все ли читатели знают, как они устроены и чем обычный компьютер отличается от квантового? Давайте разбираться.
Что такое квантовые вычисления?
Термин «квантовые вычисления» появился в прошлом веке, вместе с образованием нового теоретического раздела науки, известного нам ныне как «квантовая механика». Квантовая механика — является одной из самых сложных наук, так как большинство теорий и принципов в ней противоречат фундаментальному закону теории относительности Эйнштейна в классической физике.
Альберт Эйнштейн (1879-1955 гг.)
Теория относительности Эйнштейна, в свою очередь, подразумевает локальность всех физических явлений в нашем мире. Например, гравитация в обычной физике — это сила с которой Земля, или любой другой массивный объект, притягивает к себе находящиеся в определенном диапазоне радиуса притяжения объекты. Это явление возникает вследствие взаимодействия силы притяжения с массой объекта.
В квантовой же физике одна из существующих теорий описывает явление гравитации, как результат появления гравитонов — условных частиц, имеющих гравитационную волну. Давайте не будем настолько углубляться в науку, это нам еще будет когда обсудить. Возвращаемся к квантовым компьютерам.
Есть в квантовой физике еще одна достаточно парадоксальная теория — теория квантовой суперпозиции. Благодаря ей, как раз таки и стали возможны квантовые вычисления.
Что такое квантовая суперпозиция и как она применяется в вычислительных устройствах?
Сама теория суперпозиции предусматривает нахождение квантовых частиц в двух состояниях одновременно. В квантовых компьютерах этой частицей является кубит (квантовый бит). То есть, если в наших обычных бинарных вычислительных устройствах бит может находиться строго в состоянии нуля или единицы, то кубит может применять на себя эти два состояния одновременно.
Благодаря этому, в сложных вычислениях, в пример всегда ставится разложение большого числа на множители, квантовый компьютер потратит намного меньше времени, чтобы добраться до решения поставленной задачи. Так как все кубиты, из которых состоит компьютер, находятся в двух состояниях одновременно, система будет работать с наиболее компактной матрицей для решения задачи. Если это просчет состояния системы из ста частиц, то будет задействовано соответственно сто кубитов, а не триллион бит обычного компьютера.
Еще одной особенностью квантовых вычислений является то, что при изменении состояния одного кубита меняются и все остальные. В обычных вычислительных устройствах, построенных на транзисторах и кремниевых чипах, биты являются обособленными друг от друга элементами. Примечательно, что этим процессом можно управлять. Данное явление называется квантовой запутанностью
Дэвид Дойч
Впервые процесс и схема работы квантового компьютеры была описана в середине 1990–х годов, физиком Дэвидом Дойчем. Согласно его схеме — первоначальной задачей в подготовке квантового компьютера к работе является фиксирование изначальных параметров всего набора кубитов. Далее их преобразование, при помощи определенных логических операций, а после вывод наиболее вероятного результата решения на основе введенных значений.
А все потому, что кубиты находятся в состоянии неопределенности до момента, пока за ними не наблюдают. Обусловлено это их квантовым свойством суперпозиции. «Наблюдением» в данном случае является эдакая команда вывода финального значения.
Заменят ли квантовые компьютеры домашние ПК?
Возможно. На сегодняшний день, однозначного ответа на этот вопрос никто дать не сможет. Ведь с одной стороны, квантовые компьютеры в миллион раз мощнее и быстрее обычных ПК, посему можно рассчитывать на значительный прирост производительности в играх и видео, а с другой стороны они очень непрактичны.
Кубиты, как элементы вычислительной машины, крайне нестабильны. При несоблюдении определенных технических требований, кубиты могут терять свои свойства. Одним из таких требований являются жесткие термальные условия. Система, построенная на кубитах, обязательно должна находится в кейсе, поддерживающим сверхнизкую температуру для возникновения эффекта сверхпроводимости частиц. Это около нуля по Кельвину.
В привычных нам Цельсиях это около -270 градусов. Даже самое незначительное отклонение от этих значений температуры может послужить поводом уменьшения срока эксплуатации квантового компьютера. Добиться таких условий, в рамках домашней эксплуатации, по крайней мере на сегодняшний день, крайне сложно.
Поэтому, скорее всего, привычные нам кремниевые компьютеры еще долго не канут в лету, а вот крупные вычислительные системы, используемые в научных центрах, определенно первыми перейдут на новые стандарты в вычислениях. На замену нынешним придут более производительные квантовые решения. Благодаря им, скорость обмена данных, а также безопасность в интернете экспоненциально возрастут.
Хотя существует мнение, причем абсолютно обоснованное, что попади такой компьютер в руки злоумышленников, все наши пароли от интернет-сервисов, а также ключи безопасности при проведении банковских операций могут быть под серьезной угрозой. Генерация ключа безопасности производится благодаря определенной формуле, одной из составляющих которой являются ваши личные данные. Именно поэтому, лишь только при доступе к мобильному телефону владельца карты, можно провести перевод денег через смс-подтверждение.
В принципе вычислить через такую цепочку переменных, отправляемый сервером, смс-код можно и на обычном компьютере. Правда для него эта задачка будет не самой легкой, и на ее выполнение потребуются десятки лет. Для квантового компьютера решение этой задачи потребует несколько секунд, а все из-за свойства квантовой суперпозиции.
Правда, такое возможно при условии, что атакуемые сервера будут работать на кремниевых чипах. В будущем, как мне кажется, в корпоративной среде это станет моветоном и несоблюдением правил безопасности.
Другими направлениями в которых квантовые компьютеры смогут найти свое применение — это сфера моделирование молекулярных структур. Кроме того, благодаря квантовым симуляциям мы можем получить много ответов на интересующие нас вопросы касательно космоса, а также появления всего живого в нашей вселенной. Также, ученые смогут открыть множество новых, неизвестных ранее лекарственных средств, благодаря чему медицина и фармакология шагнут на новый уровень.
Сегодня, к сожалению, мы не можем точно знать, станут ли квантовые компьютеры следующим шагом в развитии классических ПК. Либо же они так и останутся вычислительными машинами предназначенными для выполнения разного рода специфических задач требующих высокую точность и скорость.
Заключение
Прямо сейчас, абсолютно каждый желающий, кто хочет первым вступить в будущее и опробовать квантовый компьютер прямо у себя дома, может воспользоваться специальной веб-платформой от Google для веб-браузеров, имитирующей компиляцию программного кода на квантовом компьютере. Благодаря использованию графического ускорения WebGL и WebCL, платформа умеет симулировать квантовую вычислительную систему состоящую из двадцати двух кубитов.
Кроме всего прочего, в качестве примеров, в приложении имеются ставшие уже классическими математические алгоритмы Шора и Гровера. Для того, чтобы весь процесс был более наглядным, инженерами был создан интерфейс с трехмерной визуализацией скомпилированного алгоритма.
Так что, господа, кто хотя бы минимально знает один из скриптовых языков, рекомендую опробовать свои силы и немного улучшить свои навыки, ведь будущее не так далеко, как кажется.
Спасибо за внимание.
