Квантовый компьютер
Фантастика или реальность?
Надежда или неоправданный риск?
Надежда или неоправданный риск?
Что случилось?
В 2020 году физики из Научно-технического университета в Шанхае рассказали в журнале Science о создании квантового компьютера, которому удалось продемонстрировать квантовое превосходство — способность решить задачу, находящуюся за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров. Вычислитель получил название Цзючжань (Jiuzhang); в ходе демонстрации ему всего за несколько минут удалось провести операцию, которая традиционным путем решалась бы около двух миллиардов лет.
квантовое превосходство?
«Квантовое превосходство — это научная концепция, которая гласит, что квантовый компьютер может делать вещи в некоторых областях, выходящих за рамки возможностей неквантовых или классических компьютеров», - Юань Ланьфэн, научный сотрудник КНТУ.
Ранее такую же квантовую систему представляла Google — работа компьютера Sycamore основывается на принципе суперпозиции, и вместо битов машина использует кубиты (квантовые биты). Таким образом, компьютеру не нужно тратить время на перебор всех возможных вариантов состояний.
Отличительной чертой китайской разработки является то, что машина может только демонстрировать квантовое превосходство, но фактически он не решает никаких задач. Компьютер же американской корпорации является программируемым, так что его можно адаптировать под решение различных задач.
Отличительной чертой китайской разработки является то, что машина может только демонстрировать квантовое превосходство, но фактически он не решает никаких задач. Компьютер же американской корпорации является программируемым, так что его можно адаптировать под решение различных задач.
create your own block from scratch
Суть работы квантового компьютера состоит в том, что это вычислительное устройство использует явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. В отличие от обычного, квантовый компьютер оперирует не битами (либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1, достигая существенного превосходства над обработкой задач обычными компьютерами. Идея квантового компьютера была выдвинута Ричардом Фейнманом еще в 1981 году.
В чем суть?
Чем квантовые компьютеры отличаются от обычных?
Квантовые компьютеры не лучше и не хуже классических. Они просто другие. Важных отличий много, но вот два принципиальных.
- 1Информация в них хранится в квантовой формеТо есть вместо единиц и нулей здесь инженеры имеют дело со смесью, «суперпозицией» обоих вариантов. Результат вычислений ученые получают, конечно, в виде обычных единиц и нулей, но вот на этапе вычислений в каждом кубите единицы и нули смешаны — и это состояние важно уметь сохранять, потому что именно в нем сила таких устройств.
- 2В квантовых компьютерах память и процессор не отделены друг от другаКубиты одновременно взаимодействуют друг с другом и хранят в себе информацию.
Как устроены?
Все квантовые вычислители устроены на принципиальном уровне довольно просто. Они состоят из кубитов и связей между ними. Кубиты могут быть очень разными — квантовую информацию можно хранить и в заряженных ионах, и в нейтральных атомах, зафиксированных в специальной лазерной ловушке, и даже в дефектах внутри алмазов.
О том, что такое квантовые компьютеры и как они устроены, коротко и ясно рассказывается в видео.
Приятного просмотра!
Приятного просмотра!
Tilda Publishing
Они разработали компьютер, предназначенный для решения задачи по сэмплированию бозонов. Если говорить очень коротко, то системе нужно было рассчитать прохождение частиц света (фотонов) через оптический прибор. Эта задача была сформулирована несколько лет назад, но математическую формулу для ее решения создать попросту невозможно. По словам авторов научной работы, суперкомпьютеру TaihuLight для решения этой задачи потребовалось бы около 2,5 миллиардов лет. Но квантовый компьютер справился с задачей всего за 200 секунд.
Однако...
Однако созданное для решение задачи устройство можно назвать компьютером лишь с большой натяжкой. В нем используются квантовые вычисления при помощи кубитов, но его нельзя программировать. То есть, на данный момент такой компьютер нельзя использовать для решения других задач. Но факт того, что квантовое преимущество достигнуто, уже есть.
Что же создали китайские ученые?
Схема строения квантового компьютера "Цзючжань"
Мозг
Вы слышали о процессоре; теперь встречайте QPU, или квантовый процессор. Этот компьютер от стартапа Rigetti оснащен позолоченным медным диском с кремниевым чипом внутри, который содержит мозг машины. Почти все остальное в компьютере предназначено для поддержания чипа холодным и стабильным.
Вы слышали о процессоре; теперь встречайте QPU, или квантовый процессор. Этот компьютер от стартапа Rigetti оснащен позолоченным медным диском с кремниевым чипом внутри, который содержит мозг машины. Почти все остальное в компьютере предназначено для поддержания чипа холодным и стабильным.
Сердце
Под этими "банками с тунцом", похожими на теплообменники, находится «смесительная камера». Внутри различные формы жидкого гелия — гелий-3 и гелий-4 — сливаются вместе. Через разделение и испарение гелий рассеивает тепло.
Под этими "банками с тунцом", похожими на теплообменники, находится «смесительная камера». Внутри различные формы жидкого гелия — гелий-3 и гелий-4 — сливаются вместе. Через разделение и испарение гелий рассеивает тепло.
Оболочка
Когда компьютер работает, пять корпусов (например, белый, показанный в верхней части изображения) обволакивают машину. Эти банки с "русской матрешкой" действуют как тепловые экраны, сохраняя все сверххолодное и вакуумное запечатанное внутри.
Когда компьютер работает, пять корпусов (например, белый, показанный в верхней части изображения) обволакивают машину. Эти банки с "русской матрешкой" действуют как тепловые экраны, сохраняя все сверххолодное и вакуумное запечатанное внутри.
Нервы
Катушки в этих фотонных коаксиальных кабелях - это больше, чем просто декоративный цвет. Они снимают "стрессы", возникающие в результате переохлаждения "интерьера". Без катушек кабели лопнули бы.
Катушки в этих фотонных коаксиальных кабелях - это больше, чем просто декоративный цвет. Они снимают "стрессы", возникающие в результате переохлаждения "интерьера". Без катушек кабели лопнули бы.
Скелет
Эти золотые пластины являются слоями "свадебного торта" квантового компьютера. Они разделяют зоны охлаждения. В этом слое температура опускается чуть выше абсолютного нуля. На дне они погружаются в одну сотую кельвина — в сотни раз холоднее, чем космическое пространство.
Эти золотые пластины являются слоями "свадебного торта" квантового компьютера. Они разделяют зоны охлаждения. В этом слое температура опускается чуть выше абсолютного нуля. На дне они погружаются в одну сотую кельвина — в сотни раз холоднее, чем космическое пространство.
Tilda Publishing
В России разработана первая интегральная схема на базе пяти сверхпроводниковых кубитов в держателе. Ее создали специалисты Московского физико-технического института (МФТИ) в Лаборатории искусственных квантовых систем (ЛИКС), и, как сообщили CNews представители вуза, эту разработку можно считать прототипом квантового процессора.
Разработчики этой многокубитовой системы в своем официальном сообщении утверждают, что она уникальна и полностью управляема. С их слов, даже на нынешней стадии разработки она может применяться в квантовом машинном обучении – отдельной области науки на пересечении квантовой физики и современных технологий обработки информации.
Созданная в лаборатории МФТИ, интегральная схема была изготовлена при участии сотрудников Центра коллективного пользования (ЦКП) (еще одно подразделение МФТИ).
Разработчики этой многокубитовой системы в своем официальном сообщении утверждают, что она уникальна и полностью управляема. С их слов, даже на нынешней стадии разработки она может применяться в квантовом машинном обучении – отдельной области науки на пересечении квантовой физики и современных технологий обработки информации.
Созданная в лаборатории МФТИ, интегральная схема была изготовлена при участии сотрудников Центра коллективного пользования (ЦКП) (еще одно подразделение МФТИ).
Перспективы
В России под эгидой Росатома создана Национальная квантовая лаборатория, куда вступили различные научные организации, включая Фонд «Сколково», Российский квантовый центр и профильные научные институты. Целью лаборатории является создание квантовых процессоров на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.
Квантовые технологии
в россии
в россии
В МФТИ не уточняют, когда именно начнется эра российских квантовых компьютеров, как и не раскрывают свои дальнейшие планы по разработке новых многокубитовых интегральных схем и их внедрению. По словам Алексея Болгара, принимавшего непосредственное участие в разработке пятикубитовой схемы, Для каких-либо дальнейших действий в этой сфере необходимо модернизировать как ЦКП, так и лабораторию ИКС в составе МФТИ.
«Наши текущие результаты говорят о том, что технологические и измерительные возможности ЦКП и нашей лаборатории позволяют отработать и выполнить все этапы, необходимые для создания элементов квантовых процессоров, от технологических чертежей до интегральной квантовой схемы на чипе и ее измерений. Однако дальнейшее развитие работ по созданию управляемых элементов квантового компьютера и самого компьютера потребует модернизации “чистой зоны” ЦКП и дополнительного оснащения лаборатории современным исследовательским оборудованием», – отметил Алексей Болгар.
Zero block
Click "Block Editor" to enter the edit mode. Use layers, shapes and customize adaptability. Everything is in your hands.
Tilda Publishing
create your own block from scratch
Мотайло Алексей Сергеевич
Заведующий "Музеем компьютерной техники" ГБУ ДО ЦДЮТТ Московского района Санкт-Петербурга
Мнение эксперта
Register here
- оптимизация инвестиционных портфелей;
- предсказание финансовых кризисов;
- предсказание кредитоспособности клиентов;
- построение моделей кредитных рисков;
- защита от мошенничества с помощью анализа истории транзакций;
- распознавание мошеннических действий.
Квантовые компьютеры помогут оптимизировать поиск белковых структур. Это приведет к ускорению производства новых лекарств и персонализации медицины, а также ускорению сборки геномов. Последний процесс может быть использован при диагностике онкологических заболеваний, так как слияние генов и их перегруппировка — это распространенные причины злокачественных опухолей. D-Wave уже применила свой квантовый отжигатель (вычислитель, пригодный для решения лишь некоторых задач по оптимизации), чтобы выявить у пациентов с немелкоклеточным раком легкого аденокарциному или плоскоклеточный рак — две разновидности смертельного заболевания.
Оптимизация логистических цепей сократит длину маршрутов и даст возможность бизнесу уменьшить затраты на топливо. Квантовые алгоритмы в несколько раз быстрее просчитывают все возможные варианты передвижения и выбирают самые оптимальные.
Первый проект такого рода был осуществлен в 2019 году, когда технологическая компания Groovenauts вместе с компанией Mitsubishi Estate смогли оптимизировать сеть маршрутов забора мусора и размеры транспортных контейнеров для 26 крупных офисных центров в центральной части Токио.
Финансы
Медицина и фармацевтика
Логистика
Где будут применяться квантовые технологии?
Сегодня разработаны алгоритмы, которые позволяют квантовому компьютеру сократить время подбора пароля и дешифровки информации до нескольких часов или минут.
Даже высокозащищенные методы, основанные на криптографии с открытым ключом, могут запросто быть взломаны квантовым компьютером. Именно поэтому квантовые вычисления — это технология национальной безопасности, и государства, которые первыми построят высококубитный квантовый компьютер, получат практически совершенное технологическое оружие. Отсюда и квантовая гонка, и сотни миллиардов инвестиций в технологию.
Информационная безопасность
- «Кванты» помогут создать новые композитные материалы для таких отраслей экономики, как авиастроение и химическая промышленность. Полученные составы улучшат функциональные свойства авиалайнеров, снизят их вес на 20–40% и повысят износостойкость;
- применение квантовых сенсоров в производстве материалов позволит отследить критические деформации конструкций, снижая затраты на диагностику, технический осмотр и ремонтные работы.
Химическая промышленность
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА
Одна из наиболее перспективных областей, на которую могут повлиять квантовые вычисления, — разработка систем искусственного интеллекта (ИИ). ИИ имеет дело с огромными объемами данных, а неточности в обучении нейронных сетей приводят к значительным погрешностям.
Квантовые компьютеры могут улучшить алгоритмы обучения и интерпретации. Предприниматель в области ИИ Гэри Фаулер считает, что большую роль играет способность квантовых компьютеров выходить за рамки привычного двоичного кодирования. Это влияет как на объем анализируемой информации, так и на обработку естественного языка.
ИИ на базе квантового компьютера будет способен глубоко понимать и анализировать текст и речь. Это касается и распознавания образов, то есть искусственный интеллект может научиться видеть предметы и понимать, что находится перед ним, с той же точностью, что человек, и даже лучше.
Опасности...
Специалисты обеспокоены тем, что под ударом окажутся криптосистемы с открытыми ключами. Злоумышленники, использующие достаточно мощные квантовые компьютеры, могут совершить взлом цифровых подписей и основных интернет-протоколов HTTPS (TLS), необходимых для безопасного просмотра онлайн-счетов и совершения онлайн-покупок. Квантовые вычисления также поставят под угрозу безопасность систем симметричной криптографии, которая основана на обмене закрытыми ключами. Чтобы сохранить конфиденциальность данных, обмен ключами должен оставаться безопасным.
Несмотря на то, что на данный момент использование квантовых компьютеров в повседневной жизни невозможно, я уверена: пройдет еще пара десятков лет, и наступит настоящая «квантовая эра».
Только представьте, какие возможности откроются перед нами…
Страшно представить, к каким тайнам и загадкам человечество получит доступ, и как эти «тайны» изменят привычный ход бытия…
Мы совершенно забудет о том, что такое медленный интернет, любая информация будет открыта нам в любой момент времени!
Возможно, мы создадим высокотехнологичный виртуальный мир, где у каждого человека будет свой «аватар» с неограниченными возможностями.
А, может быть, мы наконец разгадаем тайну происхождения Вселенной… Или узнаем, есть ли все-таки жизнь в необъятном космическом пространстве…!
Возможности человека выйдут на кардинально новый уровень, и, кто знает, к чему это может привести…
Только представьте, какие возможности откроются перед нами…
Страшно представить, к каким тайнам и загадкам человечество получит доступ, и как эти «тайны» изменят привычный ход бытия…
Мы совершенно забудет о том, что такое медленный интернет, любая информация будет открыта нам в любой момент времени!
Возможно, мы создадим высокотехнологичный виртуальный мир, где у каждого человека будет свой «аватар» с неограниченными возможностями.
А, может быть, мы наконец разгадаем тайну происхождения Вселенной… Или узнаем, есть ли все-таки жизнь в необъятном космическом пространстве…!
Возможности человека выйдут на кардинально новый уровень, и, кто знает, к чему это может привести…
Над проектом работала: Дьячкова Алена
