Почти каждый человек в 21 веке имеет персональный компьютер, который мы используем ежедневно, чтобы учиться, зарабатывать и отдыхать. Но в последнее время ведутся разработки более сложной его версии, которая теоретически задействует для вычислений явления квантовой механики. Процессоры квантовых компьютеров работают на основе чипов из кремния. Такой компьютер предназначен для научных исследований, так как использует для поиска ответов на задачи сложные физические явления, например, эффект суперпозиции или квантовой запутанности.
Основой этих вычислений являются кубиты, аналоги битов в более привычных для нас компьютерах. Кубиты — это сложные системы, численность частиц в которых соответствует импульсу, а фазовая переменная — определённому значению координат. Благодаря этому они пребывают сразу в двух состояниях — нуля и единицы. В теории это позволяет такому компьютеру просчитывать все возможные логические состояния одновременно, что позволит ему решать математические и физические задачи в разы быстрее, чем классическому, даже самому мощному ПК.
Устройство квантового компьютера
Подобный компьютер на самом деле и не является компьютером вовсе. Для своих вычислений он использует кубиты (квантовые биты), принимающие в один и тот же момент, как мы уже сказали, как значение нуля, так и значение единицы. Именно поэтому чем больше используется кубитов в обороте, тем больше обрабатываемых одновременно значений. В этом и заключается смысл принципа суперпозиции. Кубит одновременно и логический 0, и логическая 1.
При изменении состояния одного из кубитов трансформируются все остальные, что позволяет учитывать в расчетах бесчисленное множество вариантов, в то время как стандартный процессор высчитывает все последовательно. Для устранения этой преграды в обычном процессоре начали запускать вычисления в нескольких потоках, то есть параллельно друг другу, а также предвыборку для просчета вероятных ветвлений в расчетах.
Фундаментальным отличием в принципе вычисления считается то, что квантовая вычислительная машина уже включает в себя все возможные и правильные решения поставленного вопроса, а человеку необходимо выбрать из кубитов нужную информацию.
Задачи, решаемые квантовым компьютером
Квантовый компьютер не претендует на место классического, которое последний уже занял в нашей жизни. Система, работающая с кубитами, предназначена для преодоления сложных задач в кратчайшие сроки.
Пока доступно всего 4 вида таких задач:
1) Задачи с преобразованием Фурье — это зачастую криптография и методы шифрования, то есть алгоритм Шора, позволяющий взломать тот же биткоин.
2) Задачи оптимизации и комбинаторики — нужны для устранения проблем с перебором огромного количества вариаций. Сюда можно отнести небезызвестный алгоритм Гровера. Решение этих задач требуется в экономической и логистической отраслях.
3) Машинное обучение — один из алгоритмов, обеспечивающих значительное улучшение работы в сфере роботизации производства. HHL используется для решения линейных уравнений в разы быстрее прочих стандартных и привычных методов. Это важно в задачах машинного обучения — одной из важнейших сфер работы квантового компьютера.
4) Создание симуляции квантовой системы — наиболее свойственное высокотехнологичным компьютерам применение, которое было сформулировано Фейнманом: для моделирования сверхсложной квантовой системы нужна еще одна непростая подобная система, которой человек способен управлять.
Решение данных задач поможет в создании новых строительных материалов, лекарств и прочнейших проводников. Для всех этих вычислений, касающихся каждой сферы нашей жизни, классическому вычислительному устройству понадобится не одна тысяча лет, в то время как квантовый компьютер даст ответ на них за пару часов.
Устройство процессора
Согласно теории, решение квантовых задач выполняется несколькими десятками кубитов. Но на деле квантовые чипы обеспечивают бесперебойное запутывание каждого кубита лишь с 6 соседними.
При необходимости связать кубит с большим числом других нужно строить развернутую череду квантовых операций, что повышает вероятность возникновения ошибок. Для преодоления этой проблемы ученые разрабатывают специализированные программы-оптимизаторы.
Особенности функционирования квантовых компьютеров
При разработке, воплощении и использовании таких сложных машин возникает ряд трудностей, от решения которых зависит развитие этой научной отрасли. Выделяют такие проблемы:
• зависимость от условий окружающей среды;
• проблемы приведения кубитов в рабочее состояние;
• сложности в составлении системы с большим количеством квантовых битов;
• накопление ошибок в процессе вычислений.
Методы решения выявленных проблем
Инженеры и исследователи неустанно думают над устранением возникающих сложностей. Для этого были разработаны определенные подходы к проектированию компьютера на квантах:
• использование чрезвычайно холодных условий (-273,14°C);
• установка процессорных блоков с высоким уровнем защиты от влияния извне;
• применение программ по оптимизации для составления схем в процессорах;
• разработка системы исправления возникающих ошибок.
Также активно ведутся исследования по поиску новых возможных воплощений квантовых объектов не только на чертежах и по оптимизации уже существующих систем.
Квантовые компьютеры на рынке сегодня
На данный момент известные специализирующиеся на электронике и вычислительной технике компании заявили о подготовке к выпуску на рынок первых моделей таких сложных вычислительных устройств.
Корпорация из Канады D-Wave уже реализует продажу коммерческих моделей. Она собрала базу значительных клиентов: их квантовые вычислительные машины закупают Google, NASA и Volkswagen. В гонке по созданию качественного универсального квантового компьютера участвует также компания IBM, которая в настоящее время продвинулась дальше всего. Но конкуренты не отстают: Google, Microsoft, Intel, Toshiba, Nokia, Mitsubishi и даже Airbus заявили о своих планах по выпуску современных квантовых компьютеров.
