И начнем мы… с кубика Рубика. Да, с детской на первый взгляд игрушки, которая на самом деле устроена сложнее, чем кажется. Классический кубик Рубика имеет более 43 триллионов состояний.

В этом числе 18 нулей, это миллиард миллиардов. Ух! Между прочим, прокаченные азиаты легко собирают его за несколько секунд, вслепую. Как им это удается? Секрет в том, что восстановить кубик из любого состояния можно всего за 20 ходов или даже меньше по четким алгоритмам. Азиаты просто делают эти ходы чертовски быстро!

Стоп, это все увлекательно, но какое отношение кубик Рубика имеет к квантовым компьютерам? Да самое прямое. Управление квантовым компьютером во многом похоже на сборку кубика Рубика с завязанными глазами: начальное состояние хорошо известно, и существует ограниченный набор базовых элементов, которыми можно манипулировать с помощью определенного набора правил.

Но если это так просто - почему квантовые компьютеры не стали массовыми? А вот тут на арену выходит новая физика: дело в том, что наблюдение за квантовой системой во время ее работы приведет к тому, что она станет классической, и результат вычислений будет неверен. Да, все как с котом Шредингера, который жив и мертв одновременно лишь до того момента, пока вы не заглянете в коробку с ним.

Именно поэтому управление квантовым компьютером - крайне сложная задача. Нужно отслеживать все возможные факторы ошибок, при этом не следя за системой. Это сродни попытке доехать на машине из пункта А в пункт Б с повязкой на глазах, а снять ее можно только строго в пункте Б.

И это - не единственная необычная особенность квантовых вычислений, различия с классическими компьютерами лежат в самой основе. Вся привычная нам вычислительная логика базируется на битах, которые могут принимать строго одно из двух значений - 0 или 1. Квантовые компьютеры же манипулируют кубитами.

А теперь пристегните ремни - начинается веселье. Кубиты имеют абсолютно не интуитивный квантово-механический эффект под названием суперпозиция. Она позволяет им находиться в состоянии, в котором они имеют определенное количество нулей и определенное количество единиц. Коэффициенты, которые описывают, сколько единиц и сколько нулей имеет кубит, являются комплексными числами, что означает, что они имеют как действительную, так и мнимую части.

Но это еще не все. Ученые научились создавать кубиты совершенно особым образом, так что состояние одного кубита не может быть описано независимо от состояния других. Это явление называется запутанностью. Думаю, многие с ним сталкивались, надевая носки. Пока они не на ногах - это просто два носка. Но стоит один из них надеть на левую ногу, как второй автоматически становится правым.

Ладно, давайте разберем эту квантовую логику на простом примере. Возьмем два бита. Они вместе могут принимать 4 значения - 00, 01, 10 и 11. Теперь возьмем два кубита. Спасибо суперпозиции, они могут принимать несколько состояний 00, 01, 10 или 11. Одновременно. Лучше всего это визуализирует вот такая анимация, где один бит - это две точки, 0 или 1. Кубит же по сути является сферой возможных состояний между 0 и 1.

Что же это дает? А то, что n кубитов работают с информацией так же, как 2^n битов. Иными словами, всего 10 кубитов заменят 1024 бита. А для замены лишь 100 кубитов потребуется число с 30 нулями обычных битов. Для сравнения, всё человечество за год генерирует лишь несколько десятков зеттабайт информации - в этом числе на 8 нулей меньше.

Именно такая нереальная эффективность квантовых вычислений и сподвигает крупнейшие компании и университеты заниматься разработкой этого нового типа компьютеров.

Но вернемся к сложности вычислений - и да, снова поговорим про кубик Рубика. Дело в том, что проводимые над кубитами операции очень похожи на вращения кубика Рубика. И даже ошибки схожие, правда в случае с кубиком они проявляются сразу же: не довернули часть кубика до конца? Следующий поворот будет невозможен. С квантовыми вычислениями проблемы схожи - они тоже не идеальны. Из-за определенных ограничений управляющих сигналов и чувствительности кубитов операция, предназначенная для условного поворота кубита на 90 градусов, может в конечном итоге повернуть его на 90,1 градус, а может и на 89,9 градуса.

Казалось бы, такие ошибки могут показаться незначительными, но они быстро накапливаются, что в итоге приводит к совершенно неправильному результату вычислений.

Есть и другие источники ошибок - например, такое явление как декогеренция. Олды помнят дискеты и их способность со временем терять информацию из-за размагничивания. У кубитов схожая проблема - хотя их стараются делать максимально изолированными от окружающей среды, взаимодействия с ней все равно происходят. А они разумеется разрушают квантовую запутанность и приводят к потере данных. Конечно, ученые придумали квантовую коррекцию ошибок - да вот только она требует еще больше кубитов для реализации, что заводит нас в порочный круг.

Но, если все эти проблемы и сложности вас не отпугнули - пора рисовать чертеж ключа… в смысле квантового компьютера. Инженеры и ученые здраво рассудили, что такую сложную штуковину имеет смысл разделить на 5 уровней.

Первые два нам уже знакомы: на прикладном уровне находится по сути операционная система, которая позволяет человеку взаимодействовать с квантовым компьютером. На более низком слое классической обработки происходит перевод понятных человеку инструкций в машинный код, чтобы с ними мог работать квантовый компьютер, а также обратный перевод посчитанного результата в прикладной слой. По сути тут большой разницы с классическим ПК нет, так что спускаемся глубже в кроличью нору.

Вот тут уже начинается новое и неизведанное, а именно блок квантовой обработки данных, или QPU. Первые два слоя в нем отвечают за цифровую и аналоговую обработку, их цель - преобразовать машинный код в специальные сигналы, которые превратят кубиты в квантовые логические элементы. Также цифровой слой отвечает за сбор результатов и отправку их в слой классической обработки.

И вот на этом моменте происходит важная точка отсечения: сейчас со всеми сказанными ранее задачами теоретически могут справиться мощные суперкомпьютеры. Но когда в квантовые компьютеры будет добавлена коррекция ошибок, уровень цифровой обработки данных станет намного сложнее, и его уже не получится эмулировать на классических машинах.

Но вернемся к нашему рисунку квантового компьютера. Итак, слой аналоговой обработки данных работает с самым низким квантовым слоем, где и находятся непосредственно кубиты. Но как с ними взаимодействовать? Вот тут уже начинается жесткий матан и физика: для создания эффекта запутанности на кубиты посылают микроволновые импульсы, которые модулируются по фазе и амплитуде с пикосекундной точностью.

Для лучшего понимания этого промежутка времени - летящий на скорости в 1000 км/ч самолет успеет сдвинуться лишь на миллионную долю миллиметра.

И это - лишь одна из сложностей. В системах с десятками кубитов нужно заставить их производить различные действия, для чего их настраивают каждый на свою частоту. В таком случае каждый кубит можно представить как радиоприемник. Хотите передать ему данные? Настройтись на его частоту и сделайте это.

Эта стратегия на самом деле работает, пока кубитов мало. Но давайте представим гипотетический квантовый компьютер с миллионом кубитов. Каждый из них настроен на свою частоту, и чтобы отсечь шум и передать достаточно данных выделим каждому из них полосу пропускания, допустим, в 10 МГц. Тогда для всех кубитов потребуется полоса в 10 терагерц - далеко за гранью наших радиовозможностей, которые едва дошли до сотен гигагерц.

Хотя, надо сказать, возможное решение тут лежит на поверхности - спасибо мобильной связи, которая уже давно столкнулась с огромным числом абонентов в одной точке, каждый из которых жаждет выйти в интернет. Речь идет о сочетании частотного и пространственного мультиплексирования, то есть об уплотнении канала. Идея состоит в том, что можно использовать одну частоту для нескольких кубитов или групп кубитов одновременно, передавая данные для каждого из них в определенные промежутки времени.

Ну и последняя проблема - температурная. Для работы квантового компьютера нужны температуры вблизи абсолютного нуля, чтобы сохранялся эффект сверхпроводимости, когда сопротивление проводников равно нулю.

И проблема в том, что по мере развития квантовых компьютеров возникает желание запихнуть все три слоя блока QPU в один криогенный чип, на что современная полупроводниковая электроника пока что говорит категорическое "нет". Но на текущий момент в компьютерах с десятком кубитов достаточно, чтобы при сверхнизких температурах был только слой квантовой обработки, где находятся непосредственно кубиты.

Так что поздравляю - мы только что завершили чертеж простейшего квантового компьютера. Именно по этим принципам они сейчас и работают. Что они могут?

Запутать десяток-другой кубитов на 50 микросекунд, после чего расчеты утонут в ошибках. Для создания полноценного компьютера этого мало, и даже если продолжить масштабировать текущие принципы, то пределом будет где-то сотня кубитов. Этого хватит для создания своеобразного ускорителя вычислений для обычного компьютера - как видеокарта, которая обучает нейросетки или рендерит видео ощутимо быстрее обычных CPU. Только в данном случае такой квантовый ускоритель будет как орешки щелкать задачи по криптографии.

Но мы же не хотим просто ускоритель, верно? Что же требуется, чтобы создать полноценный самостоятельный квантовый компьютер с сотнями тысяч или даже миллионами кубитов?

Разумеется, нужна коррекция ошибок. Все дело в том, что каждый кубит - это личность со своим характером. Они имеют неоднородности, которые получается корректировать вручную, пока кубитов пара десятков. Но что делать, если их на несколько порядков больше?

Перейти от физических кубитов к логическим. Берем несколько сотен и даже тысяч кубитов, обзываем часть из них коррекционными и все вместе называем логическим 2-37) кубитом. Это убивает сразу двух зайцев: во-первых, состояние коррекционных кубитов позволяет отслеживать и исправлять возникающие ошибки. Во-вторых, такое объединение кубитов ощутимо снизит необходимое количество цифровых соединений в QPU, так как теперь управление будет происходить на более высоком логическом уровне.

Но все еще речь идет о гигантских объемах информации. Нужно будет тысячи раз в секунду мониторить состояние миллионов кубитов без нарушения квантового состояния системы, попутно исправляя ошибки. Это потребует общей шины данных с пропускной способность в петабайты в секунду - в десятки раз больше, чем текущие рекорды скорости передачи данных в интернете.

И это - фундаментальные проблемы расширения возможностей квантовых компьютеров, которые сдерживают нас на уровне десятков кубитов. Но с учетом того, что множество ученых по всей Земле борются с этими проблемами - рано или поздно прорыв случится, и полноценные квантовые компьютеры с миллионами кубитов станут реальностью.

МК в Telegram - https://t.me/mknewsru
МК вконтакте - https://vk.com/mknews

Квантовые компьютеры не должны проверять вашу электронную почту, обновлять статус или выполнять обычные программные/аппаратные задачи. Вместо этого они основаны на чем-то более сложном - квантовой механике. Квантовый компьютер имеет дело с частицей, намного меньшей, чем размер атома. В таком меньшем масштабе правила физики не имеют никакого смысла. Именно здесь начинают происходить захватывающие вещи. Частицы могут двигаться вперед и назад или даже существовать одновременно. Эти типы компьютеров могут увеличить вычислительную мощность сверх того, что достижимо на современных обычных компьютерах.
Давайте уточним, что мы знаем о квантовых вычислениях в настоящее время. Мы собрали некоторые интересные факты о квантовых компьютерах, которые определенно ошеломят вас.
1. Схема хранения информации Компьютеры, которые мы используем сегодня, хранят данные в двоичном формате - серии 0 и 1. Каждый компонент памяти называется битом, и им можно манипулировать с помощью шагов булевой логики. С другой стороны, квантовый компьютер будет хранить данные в виде 0, 1 или квантовой суперпозиции двух состояний. Такой квантовый бит (также известный как кубиты) обладает гораздо большей гибкостью по сравнению с двоичной системой. Кубиты могут быть реализованы с помощью частиц с двумя спиновыми состояниями - "вверх" и "вниз". Такая система может быть отображена на эффективную систему со спином 1/2.
2. Пылающая скорость

Поскольку квантовый компьютер может существовать не только в 0 и 1, они могут выполнять вычисления параллельно. Давайте рассмотрим простой пример, если кубит находится в суперпозиции состояния 0 и состояния 1, и он выполнил вычисление с другим кубитом в аналогичной суперпозиции, он оставил бы четыре результата - 0/1, 0/0, 1/0 и 1/1. Квантовый компьютер покажет вышеуказанный результат, когда он находится в состоянии декогеренции, которое длится, пока он находится в суперпозиции состояний, пока он не упадет до одного состояния. Возможность одновременного выполнения нескольких задач называется квантовым параллелизмом.
3. Переопределение безопасности

Скорость квантового компьютера также является серьезной проблемой в области шифрования и криптографии. Современные системы финансовой безопасности в мире основаны на факторизации больших чисел (алгоритмы RSA или DSA), которые буквально не могут быть взломаны обычными компьютерами в течение жизни Земли. Тем не менее квантовый компьютер может рассчитывать числа в разумный период времени. С другой стороны, квантовые компьютеры смогут обеспечить небьющиеся функции безопасности. Они могут блокировать важные данные (например, онлайн-транзакции, учетные записи электронной почты) с гораздо лучшим шифрованием. Многие алгоритмы были разработаны для квантовых компьютеров - наиболее известными являются алгоритм Гровера для поиска в неструктурированной базе данных и алгоритм Шора для факторизации больших чисел.
4. Энергоэффективность

Потребляемая мощность является критическим фактором для любого устройства, работающего на электричестве. Огромному массиву процессоров требуется изрядное количество блоков питания для поддержания их производительности. Самый быстрый суперкомпьютер в мире Sunway TaihuLight (по состоянию на апрель 2017 года) потребляет 15,37 МВт электроэнергии. Однако, это становится захватывающим с квантовыми компьютерами. Поскольку они используют квантовое туннелирование, они уменьшат энергопотребление в 100-1000 раз.
5. Альтернативные реальности

Согласно квантовой физике, мы имеем дело с тем, что называется Мультивселенной, где проблема может иметь много или бесконечное количество возможных решений. Например, вы можете читать эту статью на своем Macbook. В другом вы, возможно, читаете это по мобильному телефону во время путешествия. Квантовый компьютер может выполнять «n» задач в «n» параллельных вселенных и достигать конечного результата. Если традиционный компьютер делает «N» вычисления в «N» секунд, квантовый компьютер может выполнить «N 2» вычисления в то же время. Возможно, вы помните, что Deep Blue IBM был первым компьютером, победившим чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году. Компьютер сделал это, изучая 200 миллионов возможных ходов в секунду. Вдали от способностей человеческого мозга! Но если бы это была квантовая машина, она бы рассчитала 1 триллион ходов в секунду, 4 триллиона ходов за 2 секунды и 9 триллионов ходов за 3 секунды.
6. Почему сложно построить квантовые компьютеры

Проблема с квантовым компьютером - стабильность. Оказывается интерференция, любой вид вибрации расстроит вибрацию атомов, создавая ерунду. Электроны в квантовой механике ведут себя как волны и описываются волновой функцией. Эти волны могут мешать, вызывая странное поведение квантовых частиц, и это называется декогеренцией.
7. Низкая температура

Температура, необходимая для поддержания стабильного состояния для лучшей производительности, должна быть действительно низкой. Чтобы квантовые компьютеры работали, атомы должны быть стабильными. И единственный известный эффективный способ поддержания стабильности этих атомов - это снижение температуры до нуля Кельвина, где атомы становятся стабильными без выделения тепла. В настоящее время система D-Wave 2000Q является самым совершенным квантовым компьютером. Его сверхпроводящий процессор охлаждается до 0,015 Кельвина (в 180 раз холоднее, чем межзвездное пространство).
8. Навыки решения проблем
Квантовые компьютеры могут запускать классические алгоритмы, однако для получения эффективных результатов они используют алгоритмы, которые кажутся изначально квантовыми, или используют некоторые особенности квантовых вычислений, такие как квантовое запутывание или квантовая суперпозиция. Неразрешимые проблемы классов остаются неразрешимыми в квантовых вычислениях. Что делает квантовый алгоритм увлекательным, так это то, что они смогут решать проблемы быстрее, чем классические алгоритмы. Они могут решить задачу коммивояжера за считанные секунды, что занимает 30 минут на обычных компьютерах. Более того, квантовый компьютер может помочь обнаруживать далекие планеты, осуществлять точное прогнозирование погоды, раньше выявлять рак и разрабатывать более эффективные лекарства, анализируя данные секвенирования ДНК.
9. ИИ начало игры

Искусственный интеллект находится в начальной фазе. Современный продвинутый робот может входить в комнату, распознавать материал, форму и движущиеся тела, но ему не хватает факторов, которые делают их по-настоящему умными. Квантовые компьютеры намного лучше в области обработки информации - с 300 битами мы сможем отобразить всю вселенную. Квантовые компьютеры смогут экспоненциально ускорить скорость машинного обучения, сократив время с сотен тысяч лет до нескольких секунд. Для измерения расстояния между двумя большими векторами размером 1 зеттабайт обычному компьютеру с тактовой частотой ГГц потребуются сотни тысяч лет. В то время как квантовый компьютер с тактовой частотой ГГц (если он будет построен в будущем) займет всего лишь около секунды после того, как векторы запутаются с вспомогательным кубитом. 10. Не все может быть сделано быстро

Хотя квантовые компьютеры находят наиболее оптимальный способ решения проблемы, они используют некоторые основные математические принципы, которые ваш персональный компьютер использует ежедневно. Это относится к базовой арифметике, которая уже хорошо оптимизирована. Нет лучшего способа добавить набор чисел, чем просто сложить их. В таких случаях классические компьютеры столь же эффективны, как квантовые компьютеры.
11. Последние достижения в области квантовых вычислений Ученые из Университета Нового Южного Уэльса разработали первый квантовый логический элемент в кремнии в 2015 году. В том же году НАСА представило первый операционный квантовый компьютер, созданный D-Wave, стоимостью 15 миллионов долларов.

В 2016 году исследователи из Университета Мэриленда успешно создали первый перепрограммируемый квантовый компьютер. Два месяца спустя Базельский университет определил вариант квантовой машины на основе электронных дырок, которая использует электронные дыры (вместо того, чтобы манипулировать электронными спинами) в полупроводнике при низких температурах, которые гораздо менее уязвимы для декогеренции.

12. Квантовые вычисления впервые были упомянуты Ричардом Фейнманом в 1959 году в его знаменитой лекции «Внизу много места». Он рассматривал возможность манипулирования отдельными атомами как расширенную форму синтетической химии.
13. Первый в мире протокол распространения квантовых ключей, BB84, был разработан исследователями IBM Джиллис Брассард и Чарльзом Беннеттом в 1984 году. Это метод безопасной отправки секретного ключа из одной точки в другую для использования в одноразовом шифровании с использованием клавиатуры.
14. В феврале 2018 года физики придумали новую форму света, включающую трифотонные связанные состояния в квантовой нелинейной среде, которая могла бы привести к революции квантовых вычислений.
15. В марте 2018 года Лаборатория квантового искусственного интеллекта, управляемая Ассоциацией космических исследований университетов, НАСА и Google, выпустила 72-битный процессор под названием Bristlecone.
16. Реалистичная модель квантовых вычислений работает на квантовых алгоритмах, которые могут быть классифицированы по типу задачи, которую они решают, или технике/идеям, которые они используют. В настоящее время у нас есть алгоритмы, основанные на усилении амплитуды, квантовом преобразовании Фурье и гибридных квантовых алгоритмах.
17. В настоящее время рассматривается несколько различных кандидатов на физическую реализацию квантовой машины. Среди них самыми популярными являются - Спиновая и пространственная квантовая точка Квантовый компьютер на алмазной основе Полость квантовая электродинамика Молекулярный магнит
18. До сих пор 5 компаний производили квантовые чипы - Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience and Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) и D-Wave (Ranier).

Министерство обороны Великобритании купило квантовый компьютер, чтобы выяснить, сможет ли эта технология сделать танки "умными".

Ричард Мюррей, генеральный директор Orca, которая занимается квантовыми вычислениями, объявил о сделке на этой неделе. Одна из причин, по которым этим заинтересовалось Министерство обороны, заключается в том, что некоторые из продуктов достаточно мобильные и способны работать при комнатной температуре (от 15 до 20 градусов). Квантовый компьютер более долговечен и подходит для всех типов задач.

Какие проблемы у этого? Не совсем понятно, какие задачи будут у этих компьютеров на борту любой военной техники, особенно, если учесть, что ученым еще нужно доказать, что их внедрение добавит какие-то новаторские, применимые в реальной ситуации приложения для этой технологии. Устройство скорее всего не сможет сделать ничего такого, с чем не справится классический современный компьютер.

Все же исторически сложилось так, что квантовые компьютеры значительно ускоряют решение очень специфических математических задач. Так что перспектива пока что очень расплывчата.

Еще менее понятно, как новые возможности могут быть применены для помощи в военном контексте?

По заявлению представителя Orca, цель внедрения квантового компьютера состоит в облегчении коммуникации на поле боя, с помощью приложений по распознаванию изображений и управлению датчиками (sensor management). Технология сделает обработку информации для командных решений на поле боя более гибкой и снизит риски, связанные с обменом данными с устройствами, расположенными за пределами поля боя.

Кажется, что сделка стартапа Orca с Министерством обороны - это поиск решения проблемы. На данный момент можно только гадать, смогут ли квантовые компьютеры сделать танки "умнее" и дать британским военным достаточно значительное преимущество на поле боя.

Оригинал поста можно найти в Закрытом обществе https://t.me/secrets_of_society (не реклама)