Что такое квантовые вычисления? Подробное объяснение от Digimagg

Когда ученые стремятся использовать возможности молекул, например, при фотосинтезе, традиционные компьютеры терпят неудачу. Они обращаются к квантовым компьютерам, умеющим анализировать квантовые системы на молекулярном уровне и вычислять условные вероятности. По сути, квантовые компьютеры могут выполнить вычисления, эквивалентные миллиардам лет, всего за выходные, решая на своем пути некоторые из самых сложных проблем земного шара.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для решения проблем огромного масштаба или сложности, выходящих за рамки возможностей обычных компьютеров. Эти системы используют кубиты для выполнения и решения многомерных квантовых алгоритмов.

Квантовые вычисления существенно отличаются от классических вычислений. Квантовый физик Шохини Гоуз из Университета Уилфрида Лорье проводит сравнение между ними, сравнивая классические вычисления со свечами, а квантовые вычисления с лампочками, подчеркивая, что последние — это не просто улучшенная версия первых, а совершенно отдельная сущность.

Квантовые вычисления

Квантовые вычисления решают математические задачи и выполняют квантовое моделирование, основанное на принципах квантовой теории. Он используется для моделирования различных квантовых систем, таких как фотосинтез, сверхпроводимость и сложные молекулярные структуры. Чтобы понять квантовые вычисления и их механизмы, необходимо понимание таких понятий, как кубиты, суперпозиция, запутанность и квантовая интерференция.

Что такое кубиты?

Кубиты, фундаментальные единицы информации в квантовых вычислениях, аналогичны традиционным двоичным битам. Однако, в отличие от двоичных битов, которые могут представлять только 0 или 1, кубиты используют суперпозицию для одновременного существования в нескольких состояниях. Это означает, что они могут воплощать как 0, так и 1, а также любую комбинацию этих состояний в суперпозиции.

Состав кубитов варьируется в зависимости от архитектуры квантовых систем. Некоторые системы требуют чрезвычайно низких температур для оптимальной функциональности. Кубиты могут быть построены из различных материалов, включая захваченные ионы, фотоны, искусственные или природные атомы или квазичастицы. Напротив, двоичные биты обычно встречаются в кремниевых чипах.

Что такое суперпозиция?

Иллюстрируя суперпозицию, некоторые люди ссылаются на кота Шредингера, в то время как другие используют аналогию с монетой, летящей в воздухе во время подбрасывания. По сути, квантовая суперпозиция обозначает состояние, в котором квантовые частицы существуют как смесь всех возможных состояний, постоянно колеблясь и развиваясь, в то время как квантовый компьютер наблюдает и измеряет каждую частицу.

Джон Донохью, менеджер по научной работе в Институте квантовых вычислений Университета Ватерлоо, подчеркивает, что интригующий аспект суперпозиции заключается не только в идее одновременного существования, но и в способности исследовать квантовые состояния с разных точек зрения и ставить разнообразные вопросы. В отличие от традиционных компьютеров, которые выполняют задачи последовательно, квантовые компьютеры могут выполнять множество параллельных вычислений.

Это объяснение предлагает упрощенное понимание, прежде чем углубляться в уравнения. Основной вывод заключается в том, что суперпозиция позволяет квантовому компьютеру одновременно исследовать несколько путей.

Что такое запутанность?

Когда квантовые частицы синхронизируют свои измерения, это называется запутанностью. В этом состоянии измерения, проведенные с одного кубита, могут дать информацию о других единицах. Запутывание помогает квантовым компьютерам решать более масштабные задачи и обрабатывать большие объемы данных и информации.

Что такое квантовая интерференция?

Хотя кубиты подвергаются суперпозиции, они также могут сталкиваться с квантовой интерференцией. Это вмешательство представляет собой вероятность коллапса кубитов в определенные состояния. Учитывая возможность помех, квантовые компьютеры стремятся свести их к минимуму, чтобы гарантировать точные результаты.

Как работают квантовые компьютеры?

В их работе используются кубиты и вычислительные алгоритмы.

Квантовые компьютеры произвели революцию в обработке информации по сравнению с классическими компьютерами. В то время как традиционные компьютеры полагаются на двоичные биты, квантовые компьютеры используют для передачи кубиты. Способность кубита поддерживать суперпозицию лежит в основе потенциала квантовых вычислений для экспоненциального повышения вычислительного мастерства.

В квантовых вычислениях для измерений и наблюдений используются различные алгоритмы. Эти алгоритмы предоставляются пользователями, побуждая компьютер генерировать многомерные модели жилья в пространстве и отдельные точки данных. Например, решая загадку сворачивания белка, чтобы определить оптимальное использование энергии, квантовый компьютер оценивает различные комбинации сворачивания, и эта комбинация представляет собой решение проблемы.

Они зависят от специализированной компьютерной инфраструктуры, предназначенной для квантовой обработки.
Настоящий квантовый компьютер состоит в основном из трех компонентов. Первоначальный компонент включает в себя обычный компьютер и инфраструктуру, отвечающую за выполнение программирования и отправку инструкций кубитам. Второй компонент включает в себя механизм передачи сигналов от компьютера к кубитам. Наконец, должно быть хранилище для кубитов. Этот блок хранения необходим для стабилизации кубитов и должен соответствовать определенным критериям или требованиям. Эти требования могут включать поддержание околонулевых температур или размещение внутри вакуумной камеры.

Они требуют физической изоляции и механизмов охлаждения.

Кубиты, судя по всему, требуют большего обслуживания, чем даже самые нестабильные рок-звезды. Различные простые действия или факторы могут привести к тому, что склонные к ошибкам кубиты подвергнутся декогеренции, что приведет к потере их квантового состояния. Такие действия, как измерение кубитов и выполнение операций, могут привести к сбою квантового компьютера. По сути, любое использование системы может вызвать этот эффект. Даже незначительные вибрации и колебания температуры могут привести к декогеренции кубитов.

Чтобы смягчить эти проблемы, квантовые компьютеры хранятся в изоляции. Те, которые используют сверхпроводящие схемы (распространенный метод, который предпочитают такие лидеры отрасли, как Google и IBM), должны поддерживаться при температуре, близкой к абсолютному нулю, примерно -460 градусов по Фаренгейту.

Какие проблемы могут решить квантовые вычисления?

Могут ли квантовые вычисления улучшить решение проблем за счет использования квантовых компьютеров для выполнения квантовых алгоритмов? Такие усовершенствования открывают потенциальные возможности применения в научных и промышленных областях, где такие факторы, как стоимость, качество и время производства, имеют первостепенное значение. Появление квантовых вычислений может открыть новые подходы к управлению воздушным движением, доставке посылок, хранению энергии и многому другому.

Проблемы оптимизации климата и энергетики

Существует мнение, что квантовые компьютеры могут помочь смягчить последствия изменения климата за счет увеличения улавливания углерода. Джереми О’Брайен, генеральный директор PsiQuantum в Пало-Альто, предположил, что квантовое моделирование более крупных молекул, в случае успеха, может способствовать разработке катализатора, способного напрямую удалять углекислый газ из атмосферы.

Молекулярное моделирование и моделирование

Значительный прогресс в области квантовых вычислений произошел в 2017 году, когда исследователи IBM успешно смоделировали гидрид бериллия, что стало самой крупной молекулой, смоделированной на квантовом компьютере на тот момент. Еще одна важная веха была достигнута в 2019 году исследователями IonQ, которые использовали квантовые вычисления для моделирования более крупной молекулы — молекулы воды.

Прорывы в области искусственного интеллекта

Есть оптимизм, что развитие крупномасштабных квантовых компьютеров ускорит прогресс технологий искусственного интеллекта, и наоборот, хотя мнения среди экспертов по этому поводу расходятся. «Причина разногласий в том, что в квантовой сфере необходимо перенастроить ситуацию», — объяснила Ребекка Краутхамер, генеральный директор Quantum Thought, консалтинговой компании по квантовым вычислениям. «Мы не можем просто перенести алгоритмы ИИ с классических компьютеров на квантовые, потому что фундаментальные правила совершенно другие».

Проблемы квантовых вычислений

Квантовые шумовые прерывания

В настоящее время мы живем в эпоху NISQ, обозначающую шумные квантовые вычисления среднего масштаба. Квантовый шум включает в себя нарушения, которые влияют на состояние кубитов, ставя под угрозу суперпозицию, запутанность и общую точность квантовых систем. Этот шум возникает из-за различных факторов, таких как колебания температуры, электромагнитные помехи или механические помехи, что делает поддержание квантовых компьютеров в надлежащем квантовом состоянии исключительно сложным. Следовательно, компьютерам NISQ не хватает надежности, необходимой для принятия решений, имеющих важное коммерческое значение, поэтому они преимущественно используются в исследовательских и образовательных целях.

Масштабирование и внедрение квантовых технологий создают серьезные проблемы

Хотя квантовые вычисления обещают решать сложные проблемы, их эксплуатационная эффективность и необходимое количество кубитов для таких задач остаются высокими, что препятствует их масштабируемости. По словам Джонатана Картера, ученого из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, проблема, связанная с кубитами, двоякая. Во-первых, отдельные физические кубиты должны демонстрировать повышенную точность, достижимую за счет усовершенствованного проектирования, обнаружения оптимальной компоновки схемы и оптимизации комбинации компонентов. Во-вторых, эти кубиты необходимо организовать в логические кубиты.

По оценкам, для создания одного отказоустойчивого кубита необходимы от сотен до десятков тысяч физических кубитов. Картер считает, что нынешние технологии не способны масштабироваться до таких уровней. Например, как заметила физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер, для расчета «химических свойств нового вещества» потребуются одни только миллионы кубитов.

Несмотря на эти препятствия, существует концептуальная основа для их преодоления. «Квантовый компьютер по своей сути понимает квантовую механику, что позволяет программировать функциональность другой квантовой системы», — объяснил Донохью.

Более того, проблемы, с которыми сталкиваются квантовые вычисления, выходят за рамки аппаратных ограничений. Как подчеркивает Грег Куперберг, математик из Калифорнийского университета в Дэвисе, «магия» квантовых вычислений заключается в алгоритмических достижениях, а не в чистой скорости. «Если для решения задачи подбора будет разработан новый алгоритм, скорость может быть экспоненциально выше», — подчеркнул он, используя слово «экспоненциальный» в его буквальном смысле.

Стандарты квантовых вычислений в настоящее время находятся в стадии разработки

Еще один нерешенный вопрос касается принятия стандартного метода квантовых вычислений. Хотя сверхпроводниковая технология на сегодняшний день продемонстрировала значительный прогресс, исследователи исследуют альтернативные подходы, такие как захваченные ионы, квантовый отжиг или топологические кубиты. По словам Донохью, основное внимание уделяется не обязательно определению того, какая технология лучше, а скорее определению наиболее подходящего подхода для различных приложений. Например, сверхпроводящие чипы хорошо сочетаются с технологией магнитного поля, используемой в нейровизуализации.

Недостаточный опыт в области квантовых вычислений

Серьезным препятствием, с которым сталкиваются квантовые вычисления, как подчеркнул Краутхамер, является повсеместная нехватка специалистов. «В этой области просто недостаточно персонала, работающего на уровне программного обеспечения или алгоритмов», — отметила она. По словам Краутхамера, команда технологического предпринимателя Джека Хидарити попыталась количественно оценить рабочую силу, занимающуюся квантовыми вычислениями, и обнаружила лишь от 800 до 850 человек. «Нехватка квалифицированных специалистов представляет собой более насущную проблему, которую необходимо решить, даже в большей степени, чем аппаратное обеспечение», — подчеркнула она, — «поскольку именно люди будут продвигать инновации».

Почему квантовые вычисления важны?

Квантовые компьютеры могут оценивать результаты классических компьютеров

Практичность исследований и разработок квантовых компьютеров очевидна, хотя и в весьма ограниченных масштабах. В качестве примера Донохью приводит молекулярное моделирование лития-водорода. Хотя размер этой молекулы позволяет моделировать ее с помощью суперкомпьютера, квантовое моделирование дает ценную возможность проверить результаты, полученные в результате классического компьютерного моделирования.

Эти усилия обычно направлены на решение относительно небольших задач, которые еще можно проверить с помощью классических методов моделирования. Однако, как отмечает Донохью, этот прогресс закладывает основу для решения более сложных проблем, которые в противном случае потребовали бы дорогостоящих крупномасштабных экспериментов по физике элементарных частиц.

Квантовые вычисления могут совершить революцию в криптографии

Квантовые компьютеры могут разрушить наши нынешние системы, поскольку криптосистема RSA служит основой для различных протоколов конфиденциальности и связи, включая электронную почту и онлайн-транзакции. Существующие стандарты основаны на предположении, что ни одна организация не обладает вычислительной мощностью для полной расшифровки зашифрованных данных. Тем не менее, зрелый квантовый компьютер потенциально может попытаться выполнить любой вариант расшифровки за короткий промежуток времени.

Крайне важно подчеркнуть, что квантовые компьютеры еще не достигли такого уровня зрелости и не достигнут этого в обозримом будущем. Однако как только будет разработано большое и стабильное квантовое устройство, его беспрецедентная способность факторизовать большие числа может сделать криптосистему RSA устаревшей. К счастью, эта технология остается далекой на горизонте, и эксперты активно решают эту проблему.

Майк Браун, технический директор и соучредитель корпорации ISARA, компании, специализирующейся на квантовой криптографии, советует не паниковать. Он заверяет встревоженных потенциальных клиентов, что угроза не является немедленной, и предлагает горизонт планирования готовности системы к 2026–2030 годам, основываясь на мнениях академических и отраслевых сообществ.

Криптографы ISARA входят в число нескольких групп, участвующих в проекте стандартизации постквантовой 

Криптографии — Конкурсе, направленном на разработку схем шифрования, устойчивых к атакам со стороны крупномасштабных квантовых компьютеров. Проект, инициированный Национальным институтом стандартов и технологий в 2016 году, готовится к третьему раунду.

Сложность и стабильность, необходимые квантовому компьютеру для выполнения атаки RSA, чрезвычайно высоки. Тем не менее, в сообществе квантовых вычислений продолжаются дебаты, особенно относительно сроков масштабируемости.

Формирование будущего квантовых вычислений

Квантовые компьютеры существуют и используются в настоящее время. Однако они еще не выполняют грандиозных обещаний, таких как решение проблемы изменения климата или революция в финансовом прогнозировании. Хотя квантовые вычисления могут в конечном итоге найти коммерческое применение для решения этих задач, такие достижения все еще не за горами.

«Эта технология на данный момент недостаточно развита, чтобы предложить вычислительное преимущество перед другими методами вычислений», — сказал Донохью. «Большинство коммерческих интересов сосредоточено на долгосрочной перспективе. Компании знакомятся с технологией, чтобы быть готовыми, когда она станет более продвинутой, хотя сроки этого продвижения активно обсуждаются».

Несмотря на то, что до широкого коммерческого использования квантовых вычислений еще далеко, энтузиасты уже могут экспериментировать с этой технологией. Доступ к небольшим квантовым процессорам можно получить через облако через такие платформы, как IBM Q Experience и ее программное обеспечение с открытым исходным кодом Quiskit. Аналогично, Microsoft и Amazon предлагают свои собственные платформы — Azure Quantum и Amazon Braket соответственно. Кроме того, существуют ресурсы для изучения квантовых алгоритмов, такие как Зоопарк квантовых алгоритмов, в котором представлено более 60 алгоритмов, составленных квантовым исследователем Microsoft Стивеном Джорданом. «Эта доступность — один из захватывающих аспектов квантовых вычислений сегодня», — отметил Краутхамер. «Мы все можем взаимодействовать и исследовать это».