Квантовый компьютер
11.12.2019, 07:12
Источник: автор: Анастасия
Что такое квантовый компьютер и зачем он нужен.
Многие из нас слышали о квантовом компьютер, но что он собой представляет, а главное какие задачи с помощью него можно решать,
известно далеко не всем. Квантовый компьютер уже несколько лет активно изучают лучшие умы мира;
он даже появлялся на обложке журнала Time, с подписью: «Он обещает решить некоторые самые сложные проблемы человечества,
при этом никто не знает, как он в действительности работает».
Квантовый компьютер - это вычислительное устройство, которое использует принципиально иную систему хранения и передачи данных.
Если обычные компьютеры оперируют двоичным кодом (значение каждого бита равно либо 0, либо 1),
то квантовые компьютеры в теории могут оперировать значениями, когда каждый бит равен и 0, и 1 - это называется кубитом.
Биты и кубиты
В обычном компьютере все вычисления основаны на понятии «бит». Это такой элемент, который может принимать значения 0 или 1.
Физически это реализовано так:
1. В компьютере есть деталь под названием транзистор. Представьте, что это кран на трубе:
если его включить, вода польётся, если выключить — остановится.
2. В транзисторе вода — это электричество, и включение-выключение крана тоже зависит от электричества. Представьте, что краны соединены между собой так, что вода из одного крана включает или выключает другой кран, — и так каскадом по цепочке.
3. Транзисторы соединены таким хитрым образом, что когда они включаются и выключаются, на них можно производить математические вычисления.
4. Из-за того, что транзисторов очень много (миллиарды), а работают они очень быстро (близко к скорости света), транзисторные компьютеры могут очень быстро совершать математические вычисления.
5. Всё, что вы видите в компьютере, — это производные от вычислений. Вы видите окно, буквы, картинки, а где-то в самой-самой глубине это просто сложение и вычитание, а ещё глубже — включение-выключение кранов с электричеством на скорости света.
Транзистор в компьютере может принимать значение 1 или 0, то есть «включён» или «выключен». С точки зрения компьютерной логики, этот транзистор называется битом. Это минимальная единица информации в компьютере. Физически бит может быть в процессоре, на чипе памяти, на магнитном диске, но суть одна: это какое-то физическое пространство, которое определённо либо включено, либо выключено.
Ключевое слово здесь — «определённо». Программист и инженер может точно узнать, в каком состоянии находится тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, никаких промежуточных состояний там не существует.
В квантовом компьютере вместо битов — кубиты. Кубиты — это квантовые частицы,
у которых есть интересная особенность: кроме стандартных 0 и 1 кубит может находиться между нулём и единицей —
это называют суперпозицией. Нагляднее это видно на рисунке:
Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц.
Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы.
Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице.
Сейчас компьютеры исследуют многие ученые и крупные компании, такие как Google, IBM, Microsoft и другие.
По их словам, если такой компьютер все же удастся создать, то это будет настоящий прорыв,
сравнимый с открытием классических компьютеров.
Квантовый компьютер и непреодолимые трудности
Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее по принципам квантовой механики,
которую по праву можно назвать самым сложным разделом физики. Квантовая механика зародилась в начале 20-ого века,
и изучает поведение квантовых систем и ее элементов. Квантовая частица может находиться в нескольких местах
и состояниях одновременно, поэтому по определению квантовая механика полностью противоречит общей теории относительности.
Но давайте не будем углубляться в науку, а вернемся к нашей главной теме — квантовому компьютеру.
В начале века выяснилось, что использование электрических схем для создания вычислительных устройств имеет свои границы,
и все они практически были достигнуты. Сейчас же перед человечеством встают все новые и новые задачи,
для решения которых классических компьютеров будет недостаточно. Самый простой пример такой задачи —
это разложение больших чисел на множители. Для этой цели было построено большинство криптографических систем.
Это покажется банальным но, если бы кому-то удалось быстро разложить большое число на простые множители,
то для него стали доступны транзакции во всех банках мира.
Другая не менее важная задача, с которой современные компьютеры никогда не смогут справиться —
это моделирование квантовых систем и молекул ДНК.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что создание квантовых компьютеров — весьма перспективное решение,
которое позволит решить эти и многие другие проблемы.
Принцип работы квантового компьютера
Классический компьютер работает на основе транзисторов и кремниевых чипов,
которые используют для обработки информации бинарный код, состоящий из нулей и единиц.
Бит, как минимальная единица информации имеет два базовых состояния: 1 и 0.
Изменения этих состояний можно легко контролировать: объекты могут либо находиться в конкретном месте,
либо — не находится.
Именно поэтому многие физические объекты внешнего мира можно перенести в виртуальный с помощью сложных комбинаций битов.
Работа же квантового компьютера будет основываться на принципе суперпозиции, а вместо битов будут использоваться кубиты
(квантовые биты), которые одновременно могут находиться во всевозможных состояниях (в 1 и 0 одновременно).
По словам ученных, за счет этого квантовые компьютеры для определенных классов задач будут в миллионы раз мощнее нынешних.
Сейчас уже описаны десятки всевозможных алгоритмов работы квантового компьютера,
даже разрабатываются особые языки программирования.
По большому счету, мир использует квантовые технологии уже давно. Лазеры, томографы и сверхчувствительные микроскопы
базируются на массовых эффектах, создаваемых большими группами квантовых частиц или волн,
которые подчиняются законам квантовой механики. Основная же задача состоит в использовании этих эффектов для отдельных частиц,
а не групп в целом.
Для чего нужен квантовый компьютер?
Пока ученные трудятся над созданием квантового компьютера, они одновременно ищут ему применение.
Главным остается тот факт, что такой компьютер сможет моментально совершать вычисления
и работать с большим объемом данных.
Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа.
Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков
(или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет.
Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.
Это означает, что тайн больше не будет, потому что любые алгоритмы шифрования
можно будет сразу взломать и получить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов
до сообщений в мессенджере. Возможно, наступит интересный момент, когда обычное шифрование перестанет работать,
а квантовое шифрование ещё не изобретут.
С помощью квантовых компьютеров можно оптимизировать множество процессов: от медицины и до машиностроения.
Например, у людей появится возможность диагностировать рак на более ранних стадиях, или делать более сложные автопилоты.
Как упоминалось ранее, с помощью квантового компьютера будет возможно быстро раскладывать большие числа
на множители и моделировать молекулы ДНК. Также существует теория того, что квантовый компьютер будет справляться с задачами,
которые обычный компьютер решить не в состоянии или потратит на это тысячи лет вычислений.
Это, допустим, создание искусственного интеллекта или поиск разумных существ во Вселенной,
кроме человека. В любом случае все ученные сходятся на том, что это создание такого компьютера будет настоящим прорывом,
возможно, главным в истории человечества.
|
Ключевые слова: Квантовый компьютер проблемы человечества транзистор Кубиты квантовые частицы квантовая механика шифрование суперпозиция электричество робот
|
Обратная связь
Реклама на сайте
НАЗАД
