Суть квантового компьютера

Содержание

Суть квантового компьютераКвантовые компьютеры обещают настоящую революцию, причем не только в вычислениях, но и в реальной жизни. Медиа пестрят заголовками про то, как квантовые компьютеры уничтожат современную криптографию, а мощность искусственного интеллекта, благодаря им возрастет на порядки.

За последние 10 лет квантовые компьютеры прошли путь от чистой теории до первых работающих образцов. Правда, до обещанной революции предстоит пройти еще немалый путь, да и ее влияние в итоге может оказаться не таким всеобъемлющим, как представляется сейчас.

Как работает квантовый компьютер

Квантовый компьютер – устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Основным элементом в таких вычислениях является кубит, или квантовый бит. За всеми этими словам кроется довольно сложная математика и физика, но если их максимально упростить, то получится примерно следующее.

В обычных компьютерах мы имеем дело с битами. Бит - единица измерения информации в двоичной системе. Он может принимать значение 0 и 1, что очень удобно не только для математических операций, но и для логических, так как нулю можно сопоставить значение «ложно», а единице – «истинно».

 Кубит

Современные процессоры построены на базе транзисторов, полупроводниковых элементов, которые могут пропускать, либо не пропускать электрический ток. Иначе говоря, выдавать два значения 0 и 1. Точно также во флеш-памяти транзистор с плавающим затвором может хранить заряд. Если он есть, мы получаем единицу, если его нет – ноль. Аналогичным образом работает и магнитная цифровая запись, только носителем информации там является магнитная частичка, либо имеющая, либо не имеющая заряд.

При вычислениях мы считываем из памяти значение бита (0 или 1) и затем пропускаем ток через транзистор и в зависимости о того, пропускает он его или нет, получаем на выходе новый бит, возможно, имеющий другое значение.

Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. В отличие от обычного бита он находится в состоянии квантовой суперпозиции, то есть имеет значение и 0, и 1, и любые их сочетания в любой момент времени. Если в системе находится несколько кубитов, то изменение одного также влечет за собой изменение всех остальных кубитов.

 Так эволюционировали квантовые процессоры Intel. Число контактов соответствует кубитам

Это позволяет одновременно просчитывать все возможные варианты. Обычный процессор с его бинарными вычислениями, фактически просчитывает варианты последовательно. Сначала один сценарий, потом другой, потом третий и т.д. Чтобы ускорить, начали применять многопоточность, запуская вычисления параллельно, предвыборку, чтобы предугадывать возможные варианты ветвления и просчитывать их заранее. В квантовом компьютере это все делается параллельно.

Отличается и принцип вычислений. В каком-то смысле квантовый компьютер уже содержит все возможные варианты решения задачи, нашей задачей только является считать состояние кубитов и... выбрать из них правильный вариант. И вот тут начинаются сложности. В этом и заключается принцип работы квантового компьютера.

Создание квантового компьютера

Какой будет физическая природа квантового компьютера? Добиться квантового состояния можно только у частиц. Кубит не построишь из нескольких атомов, как транзистор. Пока эта проблема до конца не решена. Есть несколько вариантов. Используются зарядовые состояния атомов, например, присутствие или отсутствие электрона в обычной точке, сверхпроводящие элементы, фотоны и т.д.

 Насколько непросто построить квантовый компьютер, можно судить по этой системе ввода/вывода для одного из квантовых прототипов IBM

Столь «тонкие материи» накладывают ограничения и на измерения состояния кубитов. Энергии крайне малые, необходимы усилители, чтобы прочитать данные. Но усилители могут оказывать воздействия на квантовую систему и менять ее состояния, впрочем, не только они, но даже сам факт наблюдения может иметь значение.

Квантовые вычисления предполагают последовательность операций, которые совершаются с одним или несколькими кубитами. Те в свою очередь ведут за собой изменения всей системы. Задача выбрать из ее состояний правильное, дающее результат вычислений. При этом может быть сколь угодно много состояний, максимальное приближенных к таковому. Соответственно, точность таких вычислений почти всего будет отличаться от единицы.

Таким образом, для полноценного квантового компьютера нужны значительные достижения в физике. Кроме того, программирование для квантового компьютера будет отличаться от существующего сейчас. Наконец, квантовые компьютеры не смогут решить задачи, которые не под силу обычным, но в состоянии ускорить решения тех, с которыми они справляются. Правда, опять же не все.

Счет на кубиты, кубитный квантовый компьютер

Постепенно проблемы на пути к квантовому компьютеру снимаются. Первые кубиты были построены еще в начале века. Процесс ускорился в начале десятилетия. Сегодня разработчики уже в состоянии произвести процессоры с десятками кубитов.

 Квантовый процессор Google Bristlecon

Последним по времени прорывом стало создание процессора Bristlecone в недрах Google. В марте 2018 года компания заявила, что смогла построить 72-кубитный процессор. На каких физических принципах построен Bristlecone Google не сообщает. Однако считается, что для достижения «квантового превосходства», когда квантовый компьютер начинает превосходить обычный, достаточно 49 кубитов. Google удалось выполнить это условие, но уровень ошибок в 0,6% пока выше требуемого в 0,5%.

Осенью 2017 года IBM объявила о создании прототипа 50-кубитового квантового процессора. Он проходит тестирование. Но в 2017 году IBM открыла свой 20-кубитовый процессор для облачных вычислений. В марте 2018 года была запущена меньшая версия IBM Q. Ставить эксперименты на таком компьютере могут все желающие. По их результатам уже вышло 35 научных работ.

 Процессор шведской компании D-Wave

Еще в начале 10-летия на рынке появилась шведская компания D-Wave, которая позиционировала свои компьютеры как квантовые. Она породила множество споров, так как объявляла о создании 1000-кубитных машин, в то время как признанные лидеры «ковырялись» всего лишь с парой кубитов. Компьютеры шведских разработчиков продавались по цене в $10-15 миллионов, так что проверить их было не так просто.

 Квантовый компьютер D-Wave

Компьютеры D-Wave не являются квантовыми в прямом смысле этого слова, но используют некоторые квантовые эффекты, которые можно применять для решения некоторых задач оптимизации. Иначе говоря, не все алгоритмы, которые могут быть выполнены на квантовом компьютере, получают на D-Wave квантовое ускорение. Google приобрела одну из систем шведов. В результате ее исследователи признали компьютеры «ограниченно квантовыми». При этом выяснилось, что кубиты сгруппированы кластерами по восемь, то есть их реальное число заметно меньше, чем декларируемое.

Квантовый компьютер в России

Традиционно сильная школа физики позволяет внести существенный вклад в решение физических проблем для создания квантового компьютера. В январе 2018 года россияне создали усилитель сигнала для квантового компьютера. Учитывая, что своей работой усилитель сам по себе способен влиять на состояние кубитов, уровень генерируемого им шума должен мало отличаться от «вакуумного». Это и удалось российским ученым из лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и двух институтов РАН. Для создания усилителя использовались сверхпроводники.

 Маркус Грейнер и Михаил Лукин с 51-кубитным квантовым симулятором

В России также создан квантовый центр. Это негосударственная исследовательская организация, занимающаяся исследованиями в области квантовой физики. В том числе она занимается проблемой создания кубитов. За центром стоит бизнесмен Сергей Белоусов и профессор Гарвардского университета Михаил Лукин. Под его руководством в Гарварде уже был создан 51-кубитовый процессор, который некоторое время до анонса Bristlecon был самым мощнейшим квантовым компьютером устройством в мире.

Развитие квантовых вычислений стало частью госпрограммы «Цифровая экономика». В 2018-20 года на работы в этой сфере будет выделяться господдержка. Планом мероприятий предусмотрено создание квантового симулятора на восьми сверхпроводниковых кубитах. После этого будет решаться вопрос дальнейшего масштабирования данной технологии.

Кроме того, до 2020 года в России собираются опробовать еще одну квантовую технологию: построение кубитов на нейтральных атомах и заряженных ионах в ловушках.

Одной из целей программы является создание устройств квантовой криптографики и квантовых коммуникаций. Будут созданы центры распределения квантовых ключей, которые будут их раздавать потребителям – банкам, дата-центрам, отраслевым предприятиям. Считается, что полноценный квантовый компьютер может за считанные минуты сломать любой современный алгоритм шифрования.

В итоге

Итак, квантовые компьютеры пока все еще остаются экспериментальными. Маловероятно, что полноценный квантовый компьютер, обеспечивающий действительно высокую вычислительную мощность, появится раньше следующего десятилетия. Производство кубитов и построение из них стабильных системы все еще далеко от совершенства.

Судя по тому, что на физическом уровне квантовые компьютеры имеют несколько решений, которые отличаются технологиями и, вероятно, стоимостью, они не будут унифицированы еще лет 10. Процесс стандартизации может растянуться надолго.

Кроме того, уже сейчас понятно, что квантовые компьютеры и в течение следующего десятилетия, скорее всего, будут «штучными» и очень дорогими устройствами. Вряд ли они окажутся в кармане у простого пользователя, но списке суперкомпьютеров можно ожидать их появления.

Вероятно, что квантовые компьютеры будут предлагаться в «облачной» модели, когда их ресурсы смогут задействовать заинтересованные исследователи и организации.

Содержание Одной страницей
Стр. 1. Создание и принцип работы квантового компьютера
Стр. 2. квантовый компьютер в России, в итоге
Комментарии
Добавить комментарий

Введите имя:
Войти от:
или
Ваш комментарий:


Введите код:

E-mail (не обязательно)
Адрес электронной почты не предназначен к показу и будет использован только для уведомлений об ответах


Гость#10 0
Квантовые компьютеры могут быть созданы на базой обычных компьютеров



Специалист в IT-области Джеймс Вильямс высказал мнение, согласно которому квантовый компьютеры могут быть созданы на базе уже существующих персональных компьютеров. Это достаточно старый подход, который предполагает, что существующие на сегодняшний день микротранзисторы в процессоре, памяти компьютера, ячейки памяти на жестком диске можно использовать на уровне квантовых эффектов без каких-либо технических доработок. Это же касается и видео и аудиокарт.

То есть существующие технические средства могут получить многократно превышающую информационную вычислительную мощность и память. В этом случае, по его словам, достаточно поменять машинный уровень интерпретации данных. Например, для пользователя операционных систем Windows это будет выглядеть как установка дополнительного пакета к системе.

По его словам текущие средства достаточно чувствительны для этого.

Это открывает все возможности квантовых компьютеров: от фотореалистичных игр до построения искусственного интеллекта.

Ответить 
kikiklo#20 0
Провал сговора производителей железа в занижении компьютерных мощностей и квантовых эффектов обычных компьютеров — возможность создания квантовых компьютеров на базе уже имеющихся



Крупные монополии-производители железа и софта, предчувствуя свой конец, вступив с сговор, многократно занижают показатели железа, вводят аппаратные и программные ограничения на возможности железа, не позволяя ему полностью раскрыть свои возможности. Например, это запрет умножения в процессорах. С недавнего времени информация по этому поводу множится в геометрической прогрессии, достаточно, вспомнить скандал с извинениями Aplle по занижению показателей смартфонов и суд между Aplle и Quallcomm в Германии.

По словам бывшего сотрудника AMD, давшего интервью NYT, понятия ядер процессоров в физическом смысле фикция. Более того, по его словам десять лет подряд под разными моделями производятся одни и те же по мощности процессоры, которые позднее «приобретают» разную «архитектуру», «количества ядер» и иные параметры для отвода глаз. С точки зрения технологий большинство современных процессоров не в квантовой интерпретации, о которой речь будет ниже, могут выдавать терабайты операций в секунду. Получается, что при «разблокировках» нет никакой разницы между между IntelP 3 и i7.

Не представляется экономически целесообразным и менять производимый продукт каждый три-пять лет.

Введение многообразия сокетов процессоров не несет никакой инженерной нагрузки, а призвано ввести препоны по взаимозаменяемости процессоров. Установлены препоны и в других областях. Например речь идет о том, чтобы процессор не брал на себя функции видеопроцессора (видеокарты), хотя обратное направление сейчас возможно. Аналогичные вяления происходили при введении программ ATI Tooll, которая позволяет добирать видеокарте видеопамять из оперативной. Ее разработка сопровождалась малозаметным, но напряженным скандалом в 2010 году. Производители пытаются вводить препоны во внедрении технологии ReRam, когда оперативная память может выполнять функции центрального процессора и видеопамяти.

Не развивается отрасль программных эмуляторов. Например, были известны случаи отказа в финансировании программ — эмуляторов аудио и видеокарт, заказ статей, представляющих такие программы в невыгодном свете.

Технология создания виртуальных ядер процессоров базируется на квантовых синергичных эффектах, протекающих в обычном компьютере. Ряд тестов показал прирост синергичной мощности в 240% при создании двух дополнительных виртуальных ядер на базе двух физических ядер {3}.

Производители тем самым пытаются ограничить предсказанный эффект Мантиуса, когда каждый элемент компьютера может быть заменен другим. Вершиной этой навязчивой, но провальной политики можно назвать выпуск консолей, которые ожидаемо и полностью провалились. Исследование, проведенное в США показало, что около 92% жителей США пользуются пиратским софтом. Для сравнения в Германии этот показатель немногим меньше и составляет 88%. И это не смотря на все попытки вводить различные технологии типа DRM. Только недавно антимонопольное ведомство США начало заниматься Aplle, Microsoft и другими монополиям.

Отмечается, что 94% программного обеспечения в мире не изучено потребителем или третьей стороной на программный код, что говорит о том, что конечный пользователь не имеет представления о том, что именно прописано в том или ином приложении. Данная информация до недавнего времени никак не обсуждалась в широкой прессе.

Еще в начале 2000-х году вышел целый ряд статей, которые описывают возможность построения квантового компьютера на базе уже имеющихся ПК, начиная с компьютеров 1995 года выпуска. Весь вопрос упирается в программную интерпретацию квантовых явлений в обычном компьютере. Прирост вычислительных мощностей и памяти в этом случае может достигать миллиардов раз. По словам Смита в конечном итоге это будет выглядеть «как патч к операцонной системе, который пользователь установит на свой персональный компьютер». Так на Ютубе был заблокирован канал пользователя Johns, которому удалось по его словам, запустить GTA5 на IntelP 2. При этом графические показатели были настолько потрясающими, что многие пользователи посчитали, что это скорее реально снятое под эту игру видео, но ни как не сама игра. Имеющаяся точность считывания микроинформации уже давно позволяет реализацию квантовой интерпретации на базе макрофизических процессов в компьютере.

Искусственный интеллект на квантовой архитектуре (далее ИИ) по мнению ряда экспертов уже существует приблизительно с 2010 года, однако, специально ограничивается по функциям и не допускается до широкого потребителя. Некоторые разработчики подтверждают наличие среды ИИ-программиста, способного взаимодействовать с человеком на естественном языке путем устного общения. В данном случае это грозит проблемами определенным властным кругам и умирающим монополиям. Здесь достаточно вспомнить истерики Клинтон, Сороса и Маска по поводу ИИ. На экономическом форуме в Давосе, где сидит более вменяемая публика именно в связи с невозможностью далее удерживать новые технологии, заговорили о закрывающих технологиях и введении безусловного социального дохода уже с 2019 года. Имеется в виду, что в ближайшем будущем работы неминуемо лишиться 95% населения земли,так как автоматизация и компьютеризации просто сделает участие человека в них ненужным. Даже сейчас в перенаселенном Китае власти не могут игнорировать законы технологического развития и экономики и вводят роботизацию производственного процесса. Это не говоря уже о том, что, например, порядка 84% населения такой страны как Россия заняты в сфере услуг, но нематериального производства. На Западе этот показатель еще выше.

Внимание отвлекается на построение квантового компьютера в отдаленном будущем которое из года в год отодвигается, или же невозможности его компактной реализации. Так первые обещания можно отнести на 2000 год, когда было завялено что уже в 2010 году каждый будет иметь квантовый ПК у себя дома. Аналогичные обещания наблюдаются и сейчас, только срок отодвигается на 2030 год. Внимание к квантовым компьютерам подается в основном с точки зрения шифрования и шифрованной передачи данных, что не интересует 99% ни корпоративных и ни частных потребителей. Так армия США отказалась еще в 2016 году от финансирования исследований в этой области. По мнению экспертов несостоятельны и заявления о непригодности квантовых компьютеров из-за их вероятностной природы вычислений для повседневных нужд, так как пересчет вероятностей в схему «факт-нет факта» обыденное дело.

Ответить 

Android 10. Первый взгляд
Что будет в «юбилейной» ОС Google, которая выйдет в 2019 года
29 июля 2018 / 1
Смартфон Huawei с хорошей камерой - Huawei P20
Эффектный флагман со своим лицом
22 июля 2018 / 3
Обзор Android 9
Все об изменениях в Android 9
15 июля 2018 / 5
Обзор Samsung Galaxy J6 (2018)
Недорогой смартфон с вытянутым экраном
8 июля 2018 / 2
 
 
Microsoft выпустила обманчивое приложение, за которым скрывается обычный хаб
Спрос на смартфоны Samsung и Apple падает, а Huawei набирает обороты
В 2020 году могут появиться ноутбуки с процессорами от Apple
Бесплотный автомобиль Apple превратился в челнок для Infinite Loop
Компания избавляется от складских запасов в преддверии запуска новых моделей
Apple заменит устаревший регулятор громкости на новый
 
 

Опрос

Какими картами вы пользуетесь?
или оставить собственный вариант в комментариях (7)





Статистика