Реферат. Реферат по информатике современные технологии компьютерных коммуникаций студент Ханинян Х. К. Г руппа пи202
 Скачать 47.02 Kb.
|
|
Липецкий государственный технический университет Факультет: Факультет автоматизации информатики (ФАИ) Кафедра: Автоматизированные системы управления (АСУ) РЕФЕРАТ по ИНФОРМАТИКЕ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЬЮТЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ  Студент: Ханинян Х.К. Г руппа: ПИ-20-2Руководитель Лаврухина Т.В. Доцент Липецк 2020 г. Оглавление Введение Актуальность квантовых компьютеров Применение квантовых компьютеров в современной жизни, последствия их внедрения и преимущества Искусственный интеллект Молекулярное моделирование Криптография Финансовое моделирование Прогнозирование погоды Физика частиц Безграничная безопасность Поиск далеких планет Экспоненциальное увеличение вычислительной скорости Отрицательные последствия внедрения квантовых компьютеров: Самый мощный квантовый компьютер Google Заключение Введение Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее по принципам квантовой механики, которую по праву можно назвать самым сложным разделом физики. 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. В современной науке отрабатывается много различных идей и теорий, которые кажутся неосуществимыми, но открывают со временем новые возможности. Присматриваясь к ним, можно разглядеть контуры будущего, в том числе весьма отдаленного. На этом тщательном изучении научных разработок основаны великолепные прогнозы будущего, созданные Жюлем Верном и Станиславом Лемом. Одной из таких идей, которые развиваются в настоящее время, является развитие квантового счисления и квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры и теория квантовой информации находится в начальной стадии. Коррекция ошибок осуществила многообещающий прогресс на сегодняшний день, приближаясь к точке появления необходимых инструментов, необходимых для постройки компьютера, способного достаточно устойчиво противостоять эффектам декогеренции. Квантовое аппаратное обеспечение остаётся отсталой областью, но совершённая на данный день работа предполагает, что это лишь вопрос времени, прежде чем мы построим достаточно большие устройства для тестирования алгоритма Шора и других квантовых алгоритмов. В связи с этим, квантовые компьютеры предстанут в качестве превосходных вычислительных устройств, и возможно однажды сделают современные компьютеры устаревшими. Квантовые вычисления имеет корни в узко специализированных областях теоретической физики, но их будущее без сомнений лежит в огромном эффекте, которые они окажут на жизнь всего человечества. Уже сейчас существует множество систем, в работе которых квантовые эффекты играют существенную роль. Одним из наиболее известных примеров может служить лазер: поле его излучения порождается квантомеханическими событиями - спонтанным и индуцированным излучением света. Другим важным примером таких систем являются современные микросхемы - непрерывное ужесточение проектных норм приводит к тому, что квантовые эффекты начинают играть в их поведении существенную роль. В диодах Ганна возникают осцилляции электронных токов, в полупроводниках образуются слоистые структуры: электроны или дырки в различных запертых состояниях могут хранить информацию, а один или несколько электронов могут быть заперты в так называемых квантовых ямах. Прототипы квантовых компьютеров существуют уже сегодня. Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. Так, недавно группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом (IBM), объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. Несомненно, это большой успех. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо очень подвержены влиянию шумов. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности. Таким образом, исследования активно ведутся и можно предположить, что в самом недалеком будущем - лет через десять - эффективный квантовый компьютер будет создан. 1. Актуальность квантовых компьютеров После десятилетий изнурительного труда без особых надежд на успех, вокруг квантовых вычислений внезапно развилась прямо-таки лихорадочная деятельность. Почти два года назад компания IBM показала миру квантовый компьютер с пятью квантовыми битами (кубитами), который они теперь (что звучит немного странно) называют IBM Q Experience. Тогда устройство скорее напоминало игрушку для исследователей, чем средство для серьезной обработки данных. Однако в проекте зарегистрировалось 70 000 пользователей по всему миру, и к настоящему времени число кубитов увеличилось в четыре раза. Несколько месяцев назад IBM и Intel объявили о создании квантовых компьютеров на 50 и 49 кубитов. Также известно, что еще один компьютер ждет своего часа в стенах компании Google. «Сообщество полно энергии, а недавние прорывы поражают», — заявляет физик Йенс Айзерт из Свободного университета Берлина. В настоящее время ведутся разговоры о надвигающемся «квантовом превосходстве»: времени, когда квантовый компьютер сможет выполнить задачу, непосильную даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Если сравнивать одни лишь числа, то такое заявление может показаться нелепым: 50 кубитов против миллиардов классических битов в любом ноутбуке. Но вся суть квантовых вычислений заключается в том, что квантовый бит способен на гораздо большее, чем классический. Долгое время считалось, что 50 кубитов будет достаточно для проведения вычислений, которые обычный компьютер выполнял бы бесконечно долго. В середине 2017 года исследователи из Google объявили, что собираются продемонстрировать квантовое превосходство к декабрю. (На недавнюю просьбу поделиться новыми данными представитель компании ответил так: «Мы объявим результаты, как только они будут достаточно обоснованными, а пока проводится тщательный анализ уже имеющихся наработок».) Россия также не остается в стороне и за последние три года (2017–2019) объемы финансирования РКЦ составили почти 2 млрд руб. Около трети этой суммы — 682,8 млн руб.— пришлось на гранты, полученные на фундаментальные исследования от «Сколково», научных фондов, а также в рамках совместных проектов с МИСиС и Федеральной целевой программы Минобрнауки. Остальные две трети — 1294 млн руб.— в прикладные разработки РКЦ и его коммерческих «спин-оффов» инвестировали частные партнеры. В частности, 870,7 млн руб. вложил Газпромбанк, в результате его суммарные инвестиции в квантовую повестку за все время превысили 1 млрд руб. В создании квантовых компьютеров также заинтересованы, 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. 2. Применение квантовых компьютеров в современной жизни и последствия их внедрения 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. Но существуют сферы, в которых квантовые компьютеры должны будут выстрелить на все сто, когда станут коммерчески реализуемыми, такие как: 2.1.1 ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ Основное применение квантовым вычислениям — это искусственный интеллект. ИИ основан на принципах обучения в процессе извлечения опыта, становится все точнее по мере работы обратной связи, пока, наконец, не обзаводится «интеллектом», пусть и компьютерным. То есть самостоятельно обучается решению задач определенного типа. Эта обратная связь зависит от расчета вероятности для множества возможных исходов, и квантовые вычисления идеально подходят для такого рода операций. Искусственный интеллект, подкрепленный квантовыми компьютерами, перевернет каждую отрасль, от автомобилей до медицины, и говорят, что ИИ станет для двадцать первого века тем, чем электричество стало для двадцатого. Например, Lockheed Martin планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для испытаний программного обеспечения для автопилота, которое слишком сложное для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки ПО, которое сможет отличать автомобили от дорожных знаков. Мы уже достигли точки, за которой ИИ создает больше ИИ, и его сила и величина будет только расти. 2.1.2) МОЛЕКУЛЯРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Другой пример — это точное моделирование молекулярных взаимодействий, поиск оптимальных конфигураций для химических реакций. Такая «квантовая химия» настолько сложная, что с помощью современных цифровых компьютеров можно проанализировать только простейшие молекулы. Химические реакции квантовые по своей природе, поскольку образуют весьма запутанные квантовые состояния суперпозиции. Но полностью разработанные квантовые компьютеры смогут без проблем рассчитывать даже такие сложные процессы. Google уже совершает набеги в эту область, моделируя энергию водородных молекул (см. пункт 4). В результате получаются более эффективные продукты, от солнечных батарей до фармацевтических препаратов, и особенно удобрения; поскольку на удобрения приходится до 2% глобального потребления энергии, последствия для энергетики и окружающей среды будут колоссальными. И только у квантовых компьютеров будет возможность изучить каждый возможный сценарий взаимодействия с препаратом и представить не только наилучший возможный план действий, но также шансы человека на успешный прием конкретного препарата — за счет комбинации более точного и ускоренного секвенирования ДНК и более точного понимания фолдинга белка. Эти же самые нововведения, особенно в отношении фолдинга белков, также неизбежно приведут к лучшему пониманию того, как функционирует жизнь в целом, что впоследствии приведет к гораздо более точной трактовке, улучшению препаратов и улучшению результатов. 2.1.3) КРИПТОГРАФИЯ Большая часть систем кибербезопасности полагается на сложность факторинга больших чисел на простые. Хотя цифровые компьютеры, которые просчитывают каждый возможный фактор, могут с этим справиться, длительное время, необходимое для «взлома кода», выливается в дороговизну и непрактичность. Квантовые компьютеры могут производить такой факторинг экспоненциально эффективнее цифровых компьютеров, делая современные методы защиты устаревшими. Разрабатываются новые методы криптографии, которые, впрочем, требуют времени: в августе 2015 года NSA начало собирать список устойчивых к квантовым вычислениям криптографических методов, которые могли бы противостоять квантовым компьютерам, и в апреле 2016 Национальный институт стандартов и технологий начал публичный процесс оценки, который продлится от четырех до шести лет. В разработке находятся также перспективные методы квантового шифрования, которые задействуют односторонний характер квантовой запутанности. Сети в пределах города уже продемонстрировали свою работоспособность в нескольких странах, и китайские ученые недавно объяснили, что успешно передали запутанные фотоны из орбитального «квантового» спутника на три отдельные базовые станции на Земле. 2.1.4) ФИНАНСОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Современные рынки являются одними из самых сложных систем в принципе. Хотя мы разработали много научных и математических инструментов для работы с ними, им по-прежнему недостает условия, которым могут похвастать другие научные дисциплины: нет контролируемых условий, в которых можно было бы провести эксперименты. Чтобы решить эту проблему, инвесторы и аналитики обратились к квантовым вычислениям. Непосредственным их преимуществом является то, что случайность, присущая квантовым компьютерам, конгруэнтна стохастическому характеру финансовых рынков. Инвесторы зачастую хотят оценивать распределение результатов при очень большом количестве сценариев, генерируемых случайным образом. Другое преимущество, которое предлагают квантовые компьютеры, состоит в том, что финансовые операции вроде арбитража иногда могут требовать множества последовательных шагов, и число возможностей их просчета сильно опережает допустимое для обычного цифрового компьютера. 2.1.5) ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОГОДЫ Главный экономит NOAA Родни Вейер утверждает, что почти 30% от ВВП США (6 триллионов долларов) прямо или косвенно зависит от погодных условий, влияющих на производство продуктов питания, транспорт и розничную торговлю, среди прочего. Способность лучше предсказывать погоду будет иметь огромное преимущество для многих областей, не говоря уж о дополнительном времени, которое понадобится для восстановления от стихийных бедствий. Хотя ученые давно ломают голову над процессами погодообразования, уравнения, стоящие за ними, включают множество переменных, сильно усложняя классическое моделирование. Как отметил квантовый исследователь Сет Ллойд, «использование классического компьютера для такого анализа займет столько времени, что погода успеет измениться». Поэтому Ллойд и его коллеги из MIT показали, что уравнения, управляющие погодой, имеют скрытую волновую природу, которую вполне удастся разрешить с применением квантового компьютера. Хартмут Невен, директор по разработкам в Google отметил, что квантовые компьютеры могут также помочь в создании более совершенных климатических моделей, которые могли бы дать нам более глубокое представление о том, как люди влияют на окружающую среду. На основе этих моделей мы выстраиваем наши представления о будущем потеплении, и они помогают нам определять шаги, которые требуются для предотвращения стихийных бедствий. 2.1.6) ФИЗИКА ЧАСТИЦ Как ни странно, глубокое изучение физики с применением квантовых компьютеров может привести… к изучению новой физики. Модели физики элементарных частиц зачастую чрезвычайно сложные, требуют пространных решений и задействуют много вычислительного времени для численного моделирования. Они идеально подойдут для квантовых компьютеров, и ученые уже положили на них глаз. Ученые Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) недавно использовали программируемую квантовую систему для подобных манипуляций с моделями. Для этого они взяли простую версию квантового компьютера, в котором ионы производят логические операции, базовые шаги в любом компьютерном расчете. Моделирование показало прекрасное соглашение с реальными, описанными физикой, экспериментами. Теперь инвесторы стараются внедриться в экосистему квантовых вычислений, и не только в компьютерной индустрии: банки, аэрокосмические компании, кибербезопасность — все они выходят на гребень вычислительной революции. В то время как квантовые вычисления уже оказывают влияние на поля выше, этот список не является исчерпывающем ни в коем случае, и это самое интересное. Как бывает со всеми новыми технологиями, в будущем будут появляться совершенно немыслимые приложения, в такт с развитием аппаратных средств. Именно эти сферы являются основными, на которые будет распространяться работа квантовых компьютеров в ближайшем будущем. 2.1.7) Безграничная безопасность Помимо квантовых скачков в медицине, квантовые технологии также дают возможность создать практически невзламываемые методы кибербезопасности и сверхбезопасный обмен данными на длинных расстояниях. В мире квантовых странностей существует явление под названием «квантовая запутанность», в которой две или более частиц соединяются загадочным образом, независимо от среды, которая существует между ними, и без какой-либо опознаваемой сигнализации. Это то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». И поскольку нет определенной среды, в которой связываются эти две частицы, сигналы, закодированные с использованием запутанных частиц, невозможно будет перехватить. Наука, необходимая для этой технологии, пока развита недостаточно. Однако продвижение в этом направлении окажет огромное влияние на частную и национальную безопасность. Резко увеличившаяся вычислительная скорость также будет способствовать развитию кибербезопасности, поскольку экспоненциально большая вычислительная мощность квантовых компьютеров позволит им противостоять даже самым изощренным методам взлома, и это при помощи квантового шифрования. «Квантовые вычисления безусловно будут применяться везде, где мы используем машинное обучение, облачные вычисления, анализ данных», говорит Кевин Карран, исследователь кибербезопасности в Университете Ольстера. «В области безопасности это означает обнаружение проникновения, поиск паттернов в данных и более сложные формы параллельного вычисления». 2.1.8) Поиск далеких планет Никого не удивит, что квантовое вычисление будет широко использоваться в освоении космоса, что часто требует анализа огромных наборов данных. Используя квантовые процессоры, охлажденные до 20 милликельвинов (близко к абсолютному нулю), инженеры NASA планируют использовать квантовые компьютеры для разрешения сложнейших задач оптимизации, связанных с миллиардами данных. Например, ученые NASA смогут использовать крошечные колебания в квантовых волнах, чтобы обнаружить мелкие, едва уловимые перепады тепла в невидимых для нас звездах и, возможно, даже черных дыр. NASA уже использует общие принципы квантовых вычислений для разработки безопасных и эффективных методов космических путешествий — особенно когда дело доходит до отправки роботов в космос. NASA планирует посылать роботизированные миссии в космос примерно за десять лет, и среди его задач стоит использование квантовой оптимизации для создания сверхточных инструментов прогнозирования того, что может случиться за время миссии — чтобы предупредить любой возможный исход и создать план действий на каждый случай. Более тщательное и точное планирование роботизированных миссий также приведет к более эффективному использованию батарей, которые выступают одним из основных ограничивающих факторов, когда дело доходит до роботизированных космических миссий. 2.1.9) Экспоненциальное увеличение вычислительной скорости Для начала небольшое короткое вступление: компьютер, на котором вы читаете это, работает на тех же базовых технологиях, которые используются практически в каждом компьютере мира. Это конечный двоичный мир, в котором информация закодирована в битах — единицах и нулях — которые могут существовать только в двух состояниях (вкл и выкл). Квантовые вычисления, напротив, используют «кубиты», которые могут существовать в практически бесчисленных состояниях одновременно. (Грубо говоря, n кубитов может существовать в 2n разных состояниях одновременно). Если скормить обычному компьютеру последовательность из тридцати 0 и 1, будет примерно миллиард возможных значений этой последовательности, и компьютер, использующий обычные биты, должен проходить каждую комбинацию по отдельности, требуя много времени и памяти. С другой стороны, квантовый компьютер мог бы «видеть» все миллиарды последовательностей одновременно, что существенно сокращало бы временные и вычислительные затраты. По сути, квантовые компьютеры будут способны производить расчеты за секунды, на которые у обычных компьютеров уходили бы тысячи лет. Рассмотрим 2 примера нетривиальных задач, в которых KB дают радикальный выигрыш. Первый из них - задача разложения целых чисел на простые множители и, как следствие, вычисления дискретного логарифма (ДЛ). Дальше речь пойдет именно о ДЛ. Пусть у нас есть поле вычетов по модулю простого числа. В нем есть первообразные корни - такие вычеты, чьи степени порождают все ненулевые элементы. Если задан такой корень и задана степень, то возвести в степень можно быстро (например, сначала возводим в квадрат, потом получаем четвертую степень, и т. д.) Дискретный логарифм - это обратная задача. Дан первообразный корень и какой-то элемент поля; найти, в какую степень нужно возвести этот корень, чтобы получить данный элемент. Вот эта задача уже считается сложной настолько, что ряд современных криптографических систем основан на том предположении, что вычислить ДЛ за приемлемое время невозможно, если модуль - достаточно большое простое число. Так вот, для дискретного логарифма есть эффективный квантовый алгоритм. Его придумал Шор в конце 1994 года. После его статьи и начался взрыв публикаций по КВ. Независимо от него, Алексей Китаев из ИТФ им. Ландау построил квантовый алгоритм для этой и некоторых более общих задач [7]. Идеи у них были разные. Шор использовал примерно такую идею, она существенно квантовая: рассмотрим базис в фазовом пространстве. Он состоит из классических состояний. Но в линейном пространстве много базисов. Мы можем найти некий оператор, который эффективно строит другой базис; мы можем к нему перейти, сделать там какие-то вычисления, вернуться обратно и получить нечто совершенно отличное от того, что мы имели бы в классическом базисе. Одна из возможностей использовать квантовость состоит в том, что мы строим какой-то странный базис, в нем что-то делаем, возвращаемся обратно и интерпретируем результат. Шор именно эту идею и реализовал. Причем преобразование оказалось такое, которое и в физике, и в математике имеет принципиальное значение - дискретное преобразование Фурье. Его можно представить в виде тензорного произведения операторов, которые действуют на каждый из кубитов такой матрицей: Китаев придумал примерно следующее. Есть некоторая ячейка - основной регистр, где мы записываем наши данные нулями и единицами. И еще есть один управляющий кубит. Мы работаем так: у нас реализована процедура умножения на первообразный корень, на квадрат первообразного корня, и т. д. Управляющий кубит переводим в некоторое смешанное состояние, дальше строим такой оператор, который, в зависимости оттого, ноль или единица в этом управляющем кубите, либо применяет умножение к нашему основному регистру, либо не применяет. А потом кубит опять возвращаем в смешанное состояние. Оказывается, что это эффективный способ проделать некоторое измерение. То есть Китаев заметил, что одна из вещей, которые мы можем эффективно делать на квантовом компьютере, - это имитировать процесс квантового измерения. В данной задаче из результатов этих измерений эффективно извлекается ответ. Сам процесс вычислений, происходит так: мы все время умножаем одну и ту же ячейку на некие константы, результаты измерений записываем, а потом производим своего рода обработку результатов эксперимента - уже чисто классическими вычислениями. Вся квантовая часть заключается в том, что где-то рядом с нашим регистром находится в некоем смешанном состоянии коррелированный с ним кубит, и мы его периодически наблюдаем. Для вычисления ДЛ числа, записанного N битами, нужно потратить N 3 единиц времени. Вполне реализуемо - на КК, естественно. Но здесь надо заметить, что никто пока не доказал, что не существует столь же быстрого алгоритма для вычисления ДЛ на обычной машине. Вторая задача предложена Гровером (L. Grover) [6]. Рассмотрим базу данных, содержащую 2N записей. Мы хотим найти ровно одну запись. Имеется некая процедура определения того, нужную запись мы взяли или нет. Записи не упорядочены. С какой скоростью мы можем решить эту задачу на обычном компьютере? В худшем случае нам придется перебрать все 2Nзаписей - это очевидно. Оказывается, что на КК достаточно числа запросов порядка корня из числа записей – 2N/2. Интересная задача - создание оптимальных микросхем. Пусть есть функция, которую нужно реализовать микросхемой, и эта функция задана программой, использующей полиномиально ограниченную память. Построение нужной микросхемы с минимальным числом функциональных элементов - задача PSPACE. Поэтому появление устройств, эффективно решающих PSPACE-задачи, позволило бы единообразно проектировать оптимальные по своим показателям вычислительные устройства обычного типа. Кроме того, в PSPACE попадает большинство задач «искусственного интеллекта»: машинное обучение, распознавание образов и т.д. Так вот, точно установлено, что KB находятся где-то между обычными вероятностными вычислениями и PSPACE. Если все же окажется, что KB можно эффективно реализовать на классических вероятностных машинах, не будет смысла в физической реализации квантовых машин. 2.2) Отрицательные последствия внедрения квантовых компьютеров: При разработке квантового компьютера возникло множество проблем, которые требуется решить для того, чтобы квантовый компьютер эффективно работал. Когда начался бум вокруг квантовых вычислений, физики высказывались об этом более чем скептически. Модель квантовых вычислений не противоречит законам природы, но это еще не значит, что ее можно реализовать. К примеру, можно вспомнить создание атомного оружия и управляемый термояд. А если говорить о КК, надо отметить одну очень серьезную проблему. Дело в том, что любая физическая реализация будет приближенной. Во-первых, мы не сможем сделать прибор, который будет давать нам произвольный вектор фазового пространства. Во-вторых, работа любого устройства подвержена всяческим случайным ошибкам. А уж в квантовой системе - пролетит какой-нибудь фотон, провзаимодействует с одним из спинов, и все поменяется. Поэтому сразу возник вопрос, можно ли, хотя бы в принципе, организовать вычисления на ненадежных квантовых элементах, чтобы результат получался со сколь угодно большой достоверностью. Такая задача для обычных компьютеров решается просто - например, за счет введения дополнительных битов. В случае КК эта проблема гораздо глубже. То место, где возникает новое качество KB по сравнению с обычными вычислениями, - это как раз сцепленные состояния - линейные комбинации базисных векторов фазового пространства. У вас есть биты, но они не сами по себе живут в каких-то состояниях - это был бы просто вероятностный компьютер (компьютер, дающий тот или иной ответ с определенной вероятностью), - а они находятся в некоем смешанном состоянии, причем согласованно-смешанном. Из-за этого в КК нельзя, например, просто взять и скопировать один бит в другой! Обычная интуиция из теории алгоритмов здесь неприменима. Проблема надежности довольно сложна, даже на уровне чистой теории. Те люди, которые активно занимаются KB, активно ее решали и добились успеха: доказано, что, как и в классике, можно делать вычисления на элементах с заданной надежностью сколь угодно точно. Это реализовано с помощью некоего аналога кодов, исправляющих ошибки. Что касается технической стороны появляются сообщения, что создаются реальные квантовые системы с небольшим числом битов - с двумя. Эксперименты есть, но пока очень далекие от реальности. Два бита - это и для классического и для квантового компьютера слишком мало. Чтобы моделировать молекулу белка, нужно порядка ста тысяч кубитов. Для ДЛ, чтобы вскрывать шифры, достаточно примерно тысячи кубитов. Задача эта возникла слишком недавно, и не исключено, что она потребует каких-то фундаментальных исследований в самой физике. Поэтому в обозримом будущем ожидать появления квантовых компьютеров не приходится. Но можно ожидать распространения через не очень долгое время квантовых криптографических систем. Квантовая криптография позволяет обмениваться сообщениями так, что враг, если попытается подслушать, сможет разве что разрушить ваше сообщение. То есть оно не дойдет до адресата, но перехватить его в принципе будет нельзя. Подобные системы, которые уже реализованы, используют световод. Универсальный КК здесь не нужен. Нужно специализированное квантовое устройство, способное выполнять только небольшой набор операций, - своего рода квантовый кодек. Физической системе, реализующей квантовый компьютер, можно предъявить пять требований: Система должна состоять из точно известного числа частиц. Должна быть возможность привести систему в точно известное начальное состояние. а) Неустойчивость квантовой суперпозиции. В момент, когда кубит находится в суперпозиции, на него может повлиять любое взаимодействие с внешней средой. Из-за чего он принимает одно единственное значение и теряет свои вычислительные свойства. Во время квантовых вычислений кубит должен быть полностью изолирован от внешней среды. Степень изоляции от внешней среды должна быть очень высока. 3.а) Полный вакуум, то есть отсутствие других каких - либо частиц. 3.б) Очень низкие температурные условия. Квантовый 5-кубитныйкомпьютер IBM Quantum Experienceработает при 0,024К(-273,126 градуса Цельсия). При такой низкой температуре замедляются движения молекул. Надо уметь менять состояние системы согласно заданной последовательности унитарных преобразований ее фазового пространства. Необходимо иметь возможность выполнять «сильные измерения» состояния системы (то есть такие, которые переводят ее в одно из чистых состояний). 5.а) Нужно уметь воздействовать на отдельные кубиты. А также иметь возможность измерить состояние квантовой системы на входе. Из этих пяти задач наиболее трудными считаются третья и четвертая. От того, насколько точно они решаются, зависит точность выполнения операций. Пятая задача тоже весьма неприятна, так как измерить состояние отдельной частицы нелегко. Также 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. 3. Самый мощный квантовый компьютер Google В сентябре 2019 года, Американская компания Google заявила о создании самого мощного в мире квантового компьютера. Согласно докладу компании, разработке по силам осуществлять расчеты за пределами возможностей самых современных суперкомпьютеров. Как сообщает британская газета Financial Times, об этом Google информировал в научном докладе, распространенном на короткое время на сайте Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), а позже с него удаленном. Используя современный квантовый компьютер компании, названный Sycamore, Google заявил о « квантовом превосходстве » над самыми мощными суперкомпьютерами в мире, решив проблему, которая считается практически невозможной для обычных машин. Квантовый компьютер завершил сложное вычисление за 200 секунд. Те же расчеты потребуют даже самых мощных суперкомпьютеров примерно за 10 000 лет, - пишет команда исследователей во главе с Джоном Мартинисом, физиком-экспериментатором из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, в своем исследовании, опубликованном в журнале Природа. «Вполне вероятно, что время классического моделирования, которое в настоящее время оценивается в 10 000 лет, будет сокращено за счет улучшения классического аппаратного обеспечения и алгоритмов», - говорится в заявлении Брукс Фоксен, аспиранта из лаборатории Мартиниса . «Но поскольку в настоящее время мы работаем в 1,5 триллиона раз быстрее, мы чувствуем себя комфортно, претендуя на это достижение», - добавил он, говоря о превосходстве квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры используют дурацкую физику квантовой механики для решения задач, которые было бы чрезвычайно трудно, если не невозможно, решить классическим компьютерам на основе полупроводников. Вычисление, которое Google выбрал, чтобы победить, является квантовым эквивалентом генерации очень длинного списка случайных чисел и проверки их значений в миллион раз. Результатом является решение, не особенно полезное за пределами мира квантовой механики, но оно имеет большое значение для вычислительной мощности устройства. Квантовый компьютер Google состоит из микроскопических цепей сверхпроводящего металла, которые запутывают 53 кубита в сложном состоянии суперпозиции. В запутанных кубитов генерировать случайное число между нулем и 253, но из - за квантовой интерференции, некоторые случайные числа проявляются больше , чем другие. Когда компьютер измеряет эти случайные числа миллионы раз, из их неравномерного распределения возникает закономерность. «Для классических компьютеров гораздо сложнее вычислить результат этих операций, потому что это требует вычисления вероятности нахождения в любом из 253 возможных состояний, где 53 происходит из числа кубитов - экспоненциального масштабирования, поэтому люди интересуются квантовыми вычислениями с самого начала », - сказал Фоксен. Используя странные свойства квантовой запутанности и суперпозиции, лаборатория Мартини создала эту схему распределения с использованием чипа Сикамор за 200 секунд. На бумаге легко показать, почему квантовый компьютер может превзойти традиционные компьютеры. Демонстрация задачи в реальном мире - это другая история. В то время как классические компьютеры могут хранить миллионы битов в своих процессорах, квантовые компьютеры пытаются измерить количество кубитов, с которыми они могут работать. Запутанные кубиты после коротких периодов распутываются и подвержены шуму и ошибкам. Сегодня можно сказать, что Google действительно достиг квантового превосходства в строгом смысле этого термина: программисты предложили задачу, пусть не имеющую практического смысла и носящую исключительно демонстрационный характер, которая не могла быть решена за приемлемое время на существующих компьютерных системах. Надо понимать, что это превосходство временное: IBM, конечно же, смогла бы увеличить емкость памяти своего квантового компьютера Summit, чтобы посчитать задачу за два дня. Нет сомнений, что классические системы будут совершенствоваться дальше, и следующий суперкомпьютер будет еще мощнее и с еще большим объемом памяти. Однако такая гонка не может продолжаться бесконечно: чтобы суперкомпьютер мог продолжать соревноваться с квантовыми системами, емкость его памяти должна удваиваться каждый раз, когда к квантовой системе добавляется хотя бы один кубит. Сегодня квантовые системы Google и IBM содержат 53 кубита, и это рекорд для «универсальных» систем, то есть квантовых компьютеров, способных решать любую задачу. Следует отличать их от «квантовых симуляторов», каковыми являются существующие на рынке системы на базе квантового отжига с 2000 кубитов, например, производства компании D-Wave. При этом системы D-Wave не универсальны: они могут решать только один класс задач — поиск минимума заданной функции. В настоящий момент классическому суперкомпьютеру, оспаривающему «квантовое превосходство», приходится соревноваться именно с 53-кубитными квантовыми системами. Однако добавление каждого нового кубита равносильно удвоению памяти классического компьютера, и очевидно, что исход этой гонки предрешен. Вот пример, который приводит один из ведущих экспертов в области квантовых компьютеров Скотт Ааронсон: «Summit занимает площадь, равную размеру двух баскетбольных полей…. К тому времени, когда появятся квантовые компьютеры на 70 кубитов, суперкомпьютер должен быть размером с город». Если обратить внимание на вторую часть формулировки Прескилла, то можно понять, почему практического смысла от достижения «квантового превосходства» пока немного. В ближайшее время все громкие победы будут достигаться в очень абстрактных задачах, неприменимых в реальном мире. Более того, IBM заявляет, что вообще не обращает внимание на такой параметр, как «квантовое превосходство», и призывает общественность следовать этому подходу. Важно помнить, что квантовые системы сегодня решают задачи, у которых даже корректно посчитанные результаты часто сложно интерпретировать. Пройдет еще много времени, прежде чем инженеры и математики научатся применять даже простые квантовые системы для решения реальных задач. Классическая задача будущих квантовых вычислений — взлом современных систем шифрования с помощью так называемого «алгоритма Шора» — требует процессора из сотен кубитов, и появление таких систем пока невозможно прогнозировать. Однако это не означает, что работа Google была бесполезна. Присутствие одной из самых мощных IT-компаний мира на этом рынке, высокая конкуренция со стороны IBM, Microsoft, а также других компаний позволяет ожидать существенных прорывов в ближайшее время. В первую очередь большие надежды возлагаются на одно из ключевых направлений — сохранение когерентности кубитов. Значительный прирост этого параметра позволит увеличить число кубитов в системах, что даст прирост в скорости. Уже при 60 кубитах вычислительная мощность будет сравнима с 33 системами Summit. А новые достижения математиков и инженеров позволят применять квантовые системы в решении реальных задач. Заключение: Таким образом, квантовые компьютеры будут все больше и больше появляться в жизни человека. По меньшей мере, это будут самые совершенные вычислительные устройства, а современные нам компьютеры устареют. Квантовые вычисления берут свое начало в весьма специфических областях теоретической физики, но их будущее, несомненно, окажет огромное воздействие на жизнь всего человечества. Нельзя сказать, что квантовые компьютеры целиком вытеснят классические, однако в определенных сферах данный тип вычислителей сможет значительно улучшить выполнение специфичных задач |