Квантовый компьютер в чем его польза
Чем квантовые компьютеры лучше обычных, для чего они нужны, когда появятся у нас дома? И вообще существуют ли они?
Идею квантовых вычислений предложил американский физик Ричард Фейнман в 1981 году. Он заявил, что обычные компьютеры могут смоделировать любые физические процессы, кроме наиболее сложных — квантовых, а для решения последней задачи необходимы квантовые компьютеры. Спустя три десятилетия идеи Фейнмана начали воплощаться в реальность.
Задачи, которые учёные считают квантовыми, довольно часто встречаются в повседневной жизни. К примеру, когда вы собираетесь в путешествие и пытаетесь понять, как уложить в чемодан покупки на выделенную сумму и при этом не выйти за лимит по весу, вы можете даже не понимать, что на решение этой задачи с математической точки зрения вам не хватит всей жизни. Подобных задач очень много и они разнообразны: выбор оптимального капиталовложения, схема расположения товаров на складе и так далее.
Из физики элементарных частиц известно, что квантовый объект может одновременно находиться в нескольких местах. Именно на этом основана высочайшая скорость вычислений: каждый такой объект может выполнять не одну задачу, а миллиарды. Обычные компьютеры при вычислениях последовательно оперируют всего двумя состояниями — нулём и единицей. Квантовый бит (кубит) может поворачиваться в любых направлениях в зависимости от того, какая доля нуля и единицы есть в его состоянии. Самый продвинутый квантовый компьютер содержит из девять кубитов (на фото ниже).
Кубит может одновременно существовать в нескольких состояниях, поэтому квантовый компьютер очень быстро справляется с задачами, которые требуют перебора огромного множества вариантов. К примеру, на взлом PIN-кода к банковской карте у обычного компьютера уйдёт 10 миллиардов лет, а квантовый компьютер справится с этим примерно за три года. Дело в том, что PIN хоть и содержит всего 4 цифры, очень сложно подобрать методом обычного брутфорса — банк заблокирует карту после нескольких неудачных попыток ввода. К каждой карте помимо PIN привязано большое число, которое делится на PIN без остатка. Если злоумышленник узнает это число и захочет вычислить PIN с помощью компьютера, у него уйдёт на это невообразимо много времени.
Прототипы квантовых компьютеров есть у IBM и Google, а в ноябре 2016 года компания Microsoft создала целое подразделение, которое будет заниматься созданием таких устройств. Первые квантовые компьютеры, предназначенные для решения повседневных задач, появятся примерно через десять лет. Каждый компьютер занимает целую комнату, охлаждающуюся до температуры, близкой к абсолютному нулю — минус 273,15 градуса по Цельсию.
Очевидно, что в домашних условиях такие машины не смогут работать. Тем не менее, мы всё равно сможем «пожинать плоды» их деятельности. Уже сейчас пред человечеством стоит множество задач, которые с лёгкостью решали бы такие компьютеры. С появлением квантовым вычислений обычные компьютеры никуда не исчезнут, поскольку они предназначены совершенно для других, уже привычных нам нужд. Однако квантовые компьютеры произведут настоящую революцию: они сделают возможным появление полноценных систем искусственного интеллекта, мощнейших нейронных сетей, по-настоящему умных виртуальных помощников, разговаривающих на любых языках, и надёжных самоуправляемых автомобилей. Они облегчат нашу жизнь абсолютно во всех сферах: в промышленности, медицине, социальных отношениях и так далее.
Осенью прошлого года компания Google заявила, что достигла квантового превосходства. Звучит как что-то сложное и не очень нужное простому пользователю? Не совсем так. Суть этой новости в том, что сотрудники Google с помощью специального квантового компьютера смогли решить задачу, с которой даже очень крутой суперкомпьютер за разумное время не справится. Впечатляет, не так ли?
К тому же это имеет прямое отношение к безопасности ваших данных, ведь многие защитные механизмы в цифровом мире основаны как раз на том, что их нельзя взломать за разумное время. Давайте разберемся, что это за квантовый компьютер такой и стоит ли опасаться, что киберпреступники начнут пользоваться им для взлома.
Что такое квантовый компьютер
Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства, от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue, хранят все в битах — так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.
Бит можно сравнить с лампочкой, которая либо включена (единица), либо выключена (ноль). Файл, лежащий на диске, для компьютера выглядит как набор лампочек, из которых одни горят, а другие — нет. Если взять очень много таких лампочек, то, включив одни и выключив другие, можно собрать хоть фразу «тут был Альберт», хоть Мону Лизу.
Но когда устройство решает какую-то задачу, оно включает и выключает лампочки, постоянно записывая и стирая результаты промежуточных вычислений, чтобы они не забивали память. Это занимает время, так что если задача очень сложная, компьютер будет думать долго.
Квантовые компьютеры, в отличие от своих старших братьев, хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только «включаться» и «выключаться», но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.
Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства. Например, в Google утверждают, что их квантовая машина Sycamore за три с небольшим минуты провела вычисления, над которыми обычный суперкомпьютер в теории бился бы 10 000 лет! Вот это и называют серьезным термином «квантовое превосходство».
Квантовые компьютеры в жизни
Итак, квантовые компьютеры очень быстро решают очень сложные задачи. Но почему они тогда просто не вытеснили медленные классические системы? Дело в том, что эта технология еще молода, а состояние «моргающей лампочки» — очень нестабильное, и чем больше в системе кубитов, тем труднее его поддерживать. А доступность сложных вычислений зависит в том числе от количества кубитов: с помощью двух лампочек, пусть и очень крутых, Мону Лизу не нарисуешь.
Есть и другие проблемы, мешающие квантовым компьютерам полностью заменить предшественников. Вы помните, что они обрабатывают информацию принципиально иначе? Это значит, что и программы для них нужны совершенно другие. На квантовый компьютер нельзя просто взять и установить Windows — надо с нуля разрабатывать специальную квантовую ОС и специальные же квантовые приложения.
И хотя такие попытки уже предпринимают ученые и IT-гиганты, пока что квантовые компьютеры работают примерно как внешние жесткие диски — подключаются к обычным компьютерам и управляются через них. И используются они для решения узкого круга задач — например, для моделирования атома водорода или поиска по базам данных. А вот выйти в Интернет или посмотреть видео с котиками с помощью квантового компьютера не получится.
Тем не менее многие считают квантовые вычисления перспективными. Первая компания, продающая бизнесу квантовые компьютеры, появилась еще в 1999 году. Сейчас в это направление вкладываются крупные организации, такие как американские Google, Honeywell и IBM (последняя уже предлагает клиентам доступ к своему квантовому компьютеру через облако), японская Toshiba и китайские Alibaba и Baidu. В 2019 году квантовыми технологиями заинтересовались и российские власти.
Правда, тут стоит оговориться: задача, которую решили в Google, не имеет никакой практической пользы, кроме демонстрации возможностей квантовых технологий. Погружаться в ее суть мы не будем, потому что это действительно сложно и не очень нужно обычному пользователю. Но если вы очень хотите убедиться в этом лично, описание задачи есть в отчете Google.
А еще не все согласны с утверждением Google про 10 000 лет. В IBM, например, уверены, что суперкомпьютер сможет решить эту же задачу пусть и не за три минуты, но всего за два с лишним дня. Хотя это, в общем-то, тоже ощутимая разница.
Квантовые компьютеры (пока) не угроза
Как видите, квантовые компьютеры до сих пор — скорее игрушка для ученых, чем потребительские устройства или инструмент взломщика. Что, конечно, не значит, что в будущем они не станут ближе к жизни (и опаснее). Впрочем, эксперты в области защиты данных уже сейчас готовят на них управу. Но об этом — в следующий раз.
Чем квантовые компьютеры лучше обычных, для чего они нужны, когда появятся у нас дома? И вообще существуют ли они?
Идею квантовых вычислений предложил американский физик Ричард Фейнман в 1981 году. Он заявил, что обычные компьютеры могут смоделировать любые физические процессы, кроме наиболее сложных — квантовых, а для решения последней задачи необходимы квантовые компьютеры. Спустя три десятилетия идеи Фейнмана начали воплощаться в реальность.
Задачи, которые учёные считают квантовыми, довольно часто встречаются в повседневной жизни. К примеру, когда вы собираетесь в путешествие и пытаетесь понять, как уложить в чемодан покупки на выделенную сумму и при этом не выйти за лимит по весу, вы можете даже не понимать, что на решение этой задачи с математической точки зрения вам не хватит всей жизни. Подобных задач очень много и они разнообразны: выбор оптимального капиталовложения, схема расположения товаров на складе и так далее.
Из физики элементарных частиц известно, что квантовый объект может одновременно находиться в нескольких местах. Именно на этом основана высочайшая скорость вычислений: каждый такой объект может выполнять не одну задачу, а миллиарды. Обычные компьютеры при вычислениях последовательно оперируют всего двумя состояниями — нулём и единицей. Квантовый бит (кубит) может поворачиваться в любых направлениях в зависимости от того, какая доля нуля и единицы есть его состоянии. Самый продвинутый квантовый компьютер содержит из девять кубитов (на фото ниже).
Кубит может одновременно существовать в нескольких состояниях, поэтому квантовый компьютер очень быстро справляется с задачами, которые требуют перебора огромного множества вариантов. К примеру, на взлом PIN-кода к банковской карте у обычного компьютера уйдёт 10 миллиардов лет, а квантовый компьютер справится с этим примерно за три года. Дело в том, что PIN хоть и содержит всего 4 цифры, очень сложно подобрать методом обычного брутфорса — банк заблокирует карту после нескольких неудачных попыток ввода. К каждой карте помимо PIN привязано большое число, которое делится на PIN без остатка. Если злоумышленник узнает это число и захочет вычислить PIN с помощью компьютера, у него уйдёт на это невообразимо много времени.
квантовые компьютеры
Прототипы квантовых компьютеров есть у IBM и Google, а в ноябре 2016 года компания Microsoft создала целое подразделение, которое будет заниматься созданием таких устройств. Первые квантовые компьютеры, предназначенные для решения повседневных задач, появятся примерно через десять лет. Каждый компьютер занимает целую комнату, охлаждающуюся до температуры, близкой к абсолютному нулю — минус 273,15 градуса по Цельсию.
Очевидно, что в домашних условиях такие машины не смогут работать. Тем не менее, мы всё равно сможем «пожинать плоды» их деятельности. Уже сейчас пред человечеством стоит множество задач, которые с лёгкостью решали бы такие компьютеры. С появлением квантовым вычислений обычные компьютеры никуда не исчезнут, поскольку они предназначены совершенно для других, уже привычных нам нужд. Однако квантовые компьютеры произведут настоящую революцию: они сделают возможным появление полноценных систем искусственного интеллекта, мощнейших нейронных сетей, по-настоящему умных виртуальных помощников, разговаривающих на любых языках, и надёжных самоуправляемых автомобилей. Они облегчат нашу жизнь абсолютно во всех сферах: в промышленности, медицине, социальных отношениях и так далее.
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».
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.
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.
Исправление ошибок — основная проблема квантовых компьютеров
Ошибки в квантовых компьютерах можно разделить на два главных уровня. Ошибки первого уровня присущи всем компьютерам, в том числе и классическим. К таким ошибкам относится непроизвольная смена кубитов из-за внешнего шума (например: космических лучей или радиации). С этой проблемой недавно удалось справиться специалистам из компании Google. Для решения этой проблемы команда ученых во главе с Джулианом Келли создала особую квантовую схему из девяти кубитов, которые ищут ошибки в системе. Остальные кубиты отвечают за сохранность информации, таким образом, сохраняя ее дольше, нежели с использованием единичного кубита. Однако основная проблема никуда не делась, остается второй уровень ошибок.
Кубиты изначально по своей природе нестабильны, они мгновенно забывают информацию, которую вы хотите сохранить на квантовый компьютер. Под воздействием на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы (процесс декогеренции). Чтобы избавиться от этого, квантовый процессор нужно максимально изолировать от воздействия внешних факторов. Как это сделать? — пока остается загадкой. По словам экспертов, 99% мощности такого компьютера уйдет на исправления ошибок, и лишь 1% хватит для решения любых задач. Конечно, от ошибок не удастся избавиться полностью, но если минимизировать их до определенного уровня, квантовый компьютер сможет работать.
Насколько человечество близко к созданию квантовых компьютеров?
Дать ответ на этот вопрос сейчас очень сложно — практически невозможно. Новости о прорывах в этой сфере появляются регулярно, но нельзя сказать, что они глобальные. В создании квантовых компьютеров заинтересованы все: начиная военными и заканчивая технологическими компаниями. Компания D-Wawe, с которой активно сотрудничает Google и NASA, заявляет, что создала процессор с 84 кубитами, но критики, проанализировавшие его сообщили, что он работает как классический. IBM несколько лет назад объявили, что создали чип с тремя кубитами, а Microsoft основательно занимается разработкой квантовых компьютеров еще с 2007 года.
По прогнозу исследователей из компании Cisco Systems, полноценный рабочий квантовый компьютер появится к середине следующего десятилетия, и будут по мощности сравним с человеческим мозгом. В любом случае проблема разработки новых совершенных компьютеров будет актуальна до тех пор, пока человечество не научится исправлять квантовые ошибки второго уровня. Если это когда-то случится, то до создания рабочего квантового компьютера останется лишь несколько лет.