22 самых интересных фактов о квантовых компьютерах | Издание 2020

По | 08.07.2020

Компьютеры Quantum не должны проверять вашу электронную почту, обновлять статус или выполнять обычные программные / аппаратные задачи. Вместо этого они основаны на чем-то более сложном — квантовой механике.

Квантовый компьютер имеет дело с частицами, намного меньшими, чем размеры атомов. В таких меньших масштабах правила физики не имеют никакого смысла. Это где захватывающие вещи начинают происходить. Частицы могут двигаться вперед и назад или даже существовать одновременно. Эти типы компьютеров могут увеличить вычислительную мощность сверх того, что достижимо на современных обычных компьютерах.

Давайте уточним, что мы знаем о квантовых вычислениях в настоящее время. Мы собрали некоторые интересные факты о квантовых компьютерах, которые поразят вас.

1. Схема хранения информации

Компьютеры, которые мы используем сегодня, хранят данные в двоичном формате — серии 0 и 1. Каждый компонент памяти называется битом, и им можно манипулировать с помощью шагов булевой логики.

С другой стороны, квантовый компьютер будет хранить данные в виде «0», «1» или квантовой суперпозиции двух состояний. Такой квантовый бит (также известный как кубиты) обладает гораздо большей гибкостью по сравнению с двоичной системой.

Кубиты могут быть реализованы с использованием частиц с двумя состояниями вращения — «вверх| { uparrow}  rangle» и вниз| { downarrow}  rangle«. Такая система может быть отображена на эффективную систему со спином 1/2.

2. Пылающая скорость

Поскольку данные в квантовых компьютерах могут существовать не только в 0 и 1, они могут выполнять вычисления параллельно. Давайте рассмотрим простой пример; если кубит находится в суперпозиции состояния 0 и состояния 1, и он выполнил вычисление с другим кубитом в аналогичной суперпозиции, он оставил бы четыре результата — 0/1, 0/0, 1/0 и 1/1.

Квантовый компьютер покажет вышеупомянутый результат, когда он находится в состоянии декогеренции, которое длится (пока он находится в суперпозиции состояний), пока не упадет до одного состояния. Способность выполнять несколько задач одновременно называется квантовым параллелизмом.

3. Безопасность переопределена

Скорость квантовых компьютеров также является серьезной проблемой в области шифрования и криптографии. Современные системы финансовой безопасности в мире основаны на факторизации больших количеств (алгоритмы RSA или DSA), которые буквально не могут быть взломаны обычными компьютерами в течение жизни Земли. Тем не менее, квантовый компьютер может рассчитывать числа в разумные сроки.

С другой стороны, квантовые компьютеры смогут обеспечить небьющиеся функции безопасности. Они могут блокировать важные данные (такие как онлайн-транзакции, учетные записи электронной почты) с гораздо лучшим шифрованием.
Многие алгоритмы были разработаны для квантовых компьютеров — наиболее известны алгоритм Гровера (для поиска в неструктурированной базе данных) и алгоритм Шора (для факторизации больших чисел).

Читайте: новый метод для повышения производительности квантового компьютера

4. Энергоэффективность

Потребляемая мощность является критическим фактором для любого устройства, работающего на электричестве. Огромному массиву процессоров требуется огромное количество питания для поддержания их производительности. Например, самый быстрый суперкомпьютер в мире (Summit) потребляет 13 МВт энергии.

Однако с квантовыми компьютерами все становится действительно интересно. Поскольку они используют квантовое туннелирование, они снизят энергопотребление в 100-1000 раз.

5. Альтернативные реальности

Согласно квантовой физике, мы имеем дело с тем, что называется Мультивселенной, где проблема может иметь много или бесконечное количество возможных решений. Например, вы можете читать эту статью на своем ноутбуке. В другой вселенной вы можете читать это по мобильному во время путешествий.

Квантовый компьютер может выполнять «n» задач в «n» параллельных вселенных и достигать результата. Если традиционный компьютер выполняет n вычислений за n секунд, квантовый компьютер может выполнить n2 ‘ расчеты за то же количество времени.

Читайте: 25 крупнейших изобретений в области компьютерных наук

Возможно, вы помните, что Deep Blue IBM был первым компьютером, победившим чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году. Компьютер сделал это, изучая 200 миллионов возможных ходов в секунду. Вдали от способностей человеческого мозга! Но если бы это была квантовая машина, она бы рассчитала 1 триллион ходов в секунду, 4 триллиона ходов за 2 секунды и 9 триллионов ходов за 3 секунды.

6. Почему сложно построить квантовые компьютеры

Проблема с квантовыми компьютерами — стабильность. Оказывается, что интерференция (любая вибрация нарушает вибрацию атомов) создает тарабарщину. Электроны в квантовой механике ведут себя как волны и описываются волновой функцией. Эти волны могут мешать, вызывая странное поведение квантовых частиц, и это называется декогеренцией.

7. Прохладная температура

Температура, необходимая для поддержания стабильного состояния для лучшей производительности, должна быть действительно низкой. Чтобы квантовые компьютеры работали, атомы должны быть стабильными. И единственный известный эффективный способ поддержания стабильности этих атомов — это снижение температуры до нуля Кельвина, где атомы становятся стабильными без выделения тепла.

В настоящее время система D-Wave 2000Q является самым совершенным квантовым компьютером. Его сверхпроводящий процессор охлаждается до 0,015 Кельвина (в 180 раз холоднее, чем межзвездное пространство).

8. Навыки решения проблем

Квантовые компьютеры могут запускать классические алгоритмы; однако для получения эффективных результатов они используют алгоритмы, которые кажутся квантовыми по своей природе, или используют некоторые особенности квантовых вычислений, такие как квантовая запутанность или квантовая суперпозиция.

Неразрешимые проблемы классов остаются неразрешимыми в квантовых вычислениях. Что делает квантовые алгоритмы увлекательными, так это то, что они смогут решать проблемы быстрее, чем классические алгоритмы. Например, они могут решить проблему коммивояжера за считанные секунды, что занимает 30 минут на обычных компьютерах.

Более того, квантовый компьютер может помочь обнаруживать далекие планеты, точно прогнозировать погоду, раньше выявлять рак и разрабатывать более эффективные лекарственные средства путем анализа данных секвенирования ДНК.

Читайте: 20 величайших программистов всех времен

9. AI Game Changer

Искусственный интеллект находится в начальной фазе. Современный продвинутый робот может входить в комнату, распознавать материалы, формы и движущиеся тела, но ему не хватает факторов, которые делают их по-настоящему умными. Квантовые компьютеры намного лучше в области обработки информации — с 300 битами мы сможем отобразить всю вселенную.

Квантовые машины смогут экспоненциально ускорить скорость машинного обучения, сократив время с сотен тысяч лет до нескольких секунд.

Чтобы измерить расстояние между двумя большими векторами размером 1 зетабайт, обычному компьютеру с тактовой частотой ГГц потребуются сотни тысяч лет. Принимая во внимание, что квантовому компьютеру с тактовой частотой ГГц (если он когда-либо будет построен в будущем) потребуется только секунда после того, как векторы запутаны со вспомогательным кубитом.

10. Не все может быть сделано быстро

Хотя квантовые компьютеры находят наиболее оптимальный способ решения проблемы, они полагаются на некоторые основные математические принципы, которые ежедневно использует ваш персональный компьютер. Это относится к базовой арифметике, которая уже хорошо оптимизирована.

Нет лучшего способа добавить набор чисел, чем просто сложить их. В таких случаях классические компьютеры столь же эффективны, как квантовые компьютеры.

Читайте: 50 оттенков законов компьютерного программирования

11. Последние достижения в области квантовых вычислений

Ученые из Университета Нового Южного Уэльса разработали первый квантовый логический элемент с использованием кремния в 2015 году. В том же году НАСА представило первый операционный квантовый компьютер, созданный D-Wave, стоимостью 15 миллионов долларов.

В 2016 году исследователи из Университета Мэриленда успешно создали первый перепрограммируемый квантовый компьютер. Два месяца спустя Базельский университет определил вариант квантовой машины на основе электронных дырок, которая использует электронные дыры (вместо манипулирования электронными спинами) в полупроводнике при низких температурах, которые значительно менее уязвимы для декогеренции.

В 2019 году Google AI в партнерстве с НАСА опубликовал статью, в которой утверждается, что они достигли квантового превосходства — прорыва в истории квантовых вычислений.

Читайте: новая квантовая частица — 3D Скирмион в квантовом газе

12. Системы могут быть использованы для моделирования квантовых машин

Одним из наиболее важных приложений квантовых вычислений являются квантовые симуляторы. Они позволяют анализировать квантовые системы, которые невозможно моделировать с помощью суперкомпьютеров и которые трудно изучить в лаборатории.

Квантовые симуляторы специально разработаны, чтобы обеспечить понимание определенных физических проблем. Они могут быть построены с помощью традиционно программируемых «цифровых» квантовых компьютеров, которые могут решать широкий спектр квантовых задач.

До сих пор квантовые симуляторы были реализованы на многих различных экспериментальных платформах, включая системы захваченных ионов, полярных молекул, ультрахолодных квантовых газов, квантовых точек и сверхпроводящих цепей.

13. Язык программирования для квантовых компьютеров

Квантовый язык программирования

В 2020 году исследователи разработали Sliq: простой для понимания язык программирования высокого уровня для квантовых компьютеров.

В квантовых вычислениях разработчикам обычно приходится иметь дело с несколькими неприятными вещами, такими как низкий уровень абстракции, который приводит к загроможденному коду, временные значения, которые необходимо отбросить, и многое другое.

Хотя некоторые квантовые языки пытаются обойти это, они работают относительно запутанно. Sliq, с другой стороны, поддерживает безопасные автоматические вычисления, что обеспечивает интуитивную семантику.

Еще несколько интересных фактов и открытий

14. Квантовые вычисления впервые были упомянуты Ричардом Фейнманом в 1959 году в его знаменитой лекции «Внизу много места». Он рассматривал возможность манипулирования отдельными атомами как расширенную форму синтетической химии.

15. Первый в мире протокол распределения квантовых ключей, BB84, был разработан исследователями IBM Джиллис Брассард и Чарльзом Беннеттом в 1984 году. Это метод безопасной отправки секретного ключа из одной точки в другую для использования в одноразовом шифровании с использованием клавиатуры.

16. В феврале 2018 года физики придумали новую форму света, включающую трифотонные связанные состояния в нелинейной квантовой среде, которая могла бы привести к революции квантовых вычислений.

17. В марте 2018 года Лаборатория квантового искусственного интеллекта, управляемая Ассоциацией космических исследований университетов, НАСА и Google, выпустила 72-битный процессор под названием Bristlecone.

18. Реалистичная модель квантовых вычислений основана на квантовых алгоритмах, которые можно классифицировать по типу решаемой ими проблемы или методике / идеям, которые они используют. В настоящее время у нас есть алгоритмы, основанные на усилении амплитуды, квантовом преобразовании Фурье и гибридных квантовых алгоритмах.

19. Несколько различных кандидатов находятся в процессе реализации квантовой машины физически. Среди них самые популярные из них —

  • Сверхпроводящий и квантовый компьютер с запертыми ионами
  • Спиновая и пространственная квантовая точка
  • Алмазный квантовый компьютер
  • Полость квантовая электродинамика
  • Молекулярный магнит

20. Данные, закодированные в квантовом состоянии, не могут быть скопированы. Если вы попытаетесь прочитать эти данные, их квантовое состояние будет изменено. Эта функция может быть использована для выявления подслушивания в распределении квантовых ключей.

21. До сих пор пять компаний производили квантовые чипы — Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience and Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) и D-Wave (Ranier).

Читайте: 5 квантовых процессоров с новой вычислительной парадигмой

22. В 2020 году команда исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе установила новый рекорд для подготовки и измерения квантовых битов внутри квантового компьютера без ошибок. Более конкретно, они достигли уровня подготовки и ошибок измерения 0,03%. Это повлияет практически на все области квантовой информатики.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *