Квантовые компьютеры: будущее высокопроизводительных вычислений?

Автор: , 27.04.2014

Прогресс в вычислительной технике не сводится только к бесконечному росту тактовой частоты, количества ядер, разрядности, объёма памяти и так далее. Иногда случаются и настоящие революции. Квантовые вычисления, без всякого сомнения, можно отнести именно к этой категории.

Квантовые компьютеры: будущее высокопроизводительных вычислений?
Квантовый процессор Rainier компании D-Wave

Прогресс в вычислительной технике не сводится только к бесконечному росту тактовой частоты, количества ядер, разрядности, объёма памяти и так далее. Иногда случаются и настоящие революции. Квантовые вычисления, без всякого сомнения, можно отнести именно к этой категории.

История квантовых компьютеров началась ещё в прошлом веке, когда знаменитый физик Ричард Фейнман (известный публике в основном по «Фейнмановским лекциям» и книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман») пытался заниматься компьютерным моделированием квантовых систем. У него не получилось использовать для этого классическую вычислительную машину (почему — будет объяснено ниже). В результате в 1981 году Фейнман предложил, практически одновременно с советским математиком Юрием Маниным, возможность использования для этих целей квантового компьютера. Более подробная теория квантовых вычислений была разработана Полом Бениоффом, а в 1989 году Дэвид Дойч — блестящий физик и автор великолепной книги «Ткань реальности» — предложил общепринятую ныне концепцию квантового процессора и квантовых логических вентилей.

Что такое квантовый компьютер

Квантовый компьютер — это устройство, построенное на основе так называемых «квантовых битов», или кубитов. Что это такое и чем он отличается от обычных битов в классическом компьютере?

В «обычном» компьютере один бит может иметь два состояния (0 или 1), таким образом, n бит позволяют записать 2состояний. Иными словами, 8 бит позволяют нам записать диапазон из 256 значений.

Кубит, как и обычный бит, имеет два собственных состояния, но кроме того, он ещё может находиться в суперпозиции этих двух состояний (то есть своего рода их сумме). Система из n кубитов (квантовый регистр) позволяет записать 2n базисных состояний, плюс бесконечное количество состояний, представляющих собой суперпозицию этих базисных состояний. По сути пространство состояний системы кубитов является гильбертовым пространством, а вычислительные операции соответствуют повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. При этом квантовый вычислительный процесс изменяет сразу все коэффициенты в суперпозиции, что обеспечивает невиданный доселе параллелизм квантовых вычислений.

В упрощённом виде вычисления на квантовом компьютере выглядят следующим образом: мы записываем на набор кубитов начальное состояние, которое затем изменяется при помощи математических преобразований, известных как «унитарные операции». После этого измеряется состояние системы, и результат измерения является результатом работы компьютера.

В роли физического воплощение кубита может выступать любой объект, имеющий два квантовых состояния. Например, электронные состояния ионов, поляризационные состояния фотонов, спины атомов и т.п.

Зачем это нужно?

Сразу скажем, что квантовый компьютер вряд ли сможет заменить обычный, да он и не предназначен для этого. Его удел — решение вполне определённых задач. Например, при помощи так называемого алгоритма Шора квантовый компьютер может очень быстро раскладывать числа на простые множители, что позволяет щёлкать как орешки многие современные криптографические системы. Это обстоятельство уже привело к появлению такого направления, как квантовая криптография. А квантовый алгоритм Гровера показывает квадратичный прирост скорости при поиске в базе данных. Наконец, квантовый компьютер будет весьма полезен при моделировании квантовых систем: если взять квантовую систему всего лишь из 100 элементов, то для её моделирования на классическом компьютере нам понадобятся 2100 переменных и соответствующее количество памяти для их хранения (для сравнения, один терабайт — это всего лишь 240 степени байт). Именно поэтому у Фейнмана в своё время возникли определённые проблемы. Однако такая система может быть смоделирована на 100-кубитном квантовом компьютере.

Современные реализации

Стоит отметить, что задача построения квантового компьютера в настоящее время не решена, существуют только ограниченные его варианты (до 512 кубит). Первые квантовые компьютеры (7-кубитные) были построены в лабораториях IBM и использовали принцип ядерного магнитного резонанса для воздействия на спин отдельных атомов. Сейчас наиболее перспективным считается использование сверхпроводящих элементов или твердотельных квантовых точек на полупроводниках.

Самым громким именем в области квантовых вычислений сейчас является компания D-Wave. Стоит сказать, что её изделия не являются «настоящими» квантовыми компьютерами, так как они используют не универсальные логические блоки, а принцип квантовой нормализации, который подходит для решения только крайне ограниченного количества задач. В частности, упомянутый выше алгоритм Шора к их числу не относится.

Мнения независимых экспертов о квантовых компьютерах D-Wave крайне противоречивы. С одной стороны, было продемонстрировано, что на определённых задачах они заметно (иногда — на три порядка) быстрее, чем классические вычислительные машины. С другой — на многих задачах классические компьютеры, использующие алгоритмы симуляции квантовой нормализации, способны значительно обогнать 128-кубитный D-Wave One. Не слишком впечатляющий результат, особенно если учесть, что D-Wave One является специализированной машиной, «заточенной» конкретно под решение задач дискретного программирования (например, комбинаторной оптимизации), в то время как обычный компьютер можно использовать для чего угодно. Более того, исследователи из IBM и Калифорнийского университета в Беркли утверждают, что машины D-Wave вообще не являются квантовыми компьютерами. В общем, всё как у классика: кто на ком стоял — непонятно.

В сухом остатке

Квантовые вычисления — это, безусловно, крайне интересное направление развития компьютерных технологий. Не стоит ожидать, что они смогут полностью заменить «обычные» компьютеры на наших рабочих столах, но применение им, безусловно, найдётся, и в первую очередь — в лабораториях, где они помогут в решении научных задач, которые в настоящее время не по зубам компьютерам обычным.

Поделиться

Ваш комментарий
13 комментариев
Dreamburner ветеран (609 комментариев)
27 апреля 2014 г. 17:18:16 #

И все бы ничего, но.... максимальная вероятность считывания кубита правильно (как было заложено) - 60%. Т.е. использовать такие квантовые компьютеры, которыми официально располагают сейчас производители (что находится под замком неизвестно) можно только для симуляции нейронных сетей и размытой логики.

Ответить
Dreamburner
0
Ton старожил (194 комментария)
28 апреля 2014 г. 17:03:49 #

"симуляция нейронных сетей", "размытая логика"... это что значит, ИИ на его базе можно создать?

Ответить
Ton
0
sda старожил (496 комментариев)
27 апреля 2014 г. 21:11:44 #

афигеть, ничего не понял ))

Ответить
sda
0
Lif старожил (273 комментария)
28 апреля 2014 г. 9:11:24 #

Это же элементарно, перечитайте еще раз.

По сути пространство состояний системы кубитов является многомерным дильбертовым пространством, а вычислительные операции соответствуют повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. При этом квантовый вычислительный процесс изменяет сразу все коэффициенты в суперпозиции, что обеспечивает невиданный доселе параллелизм квантовых вычислений.

Ну как тут можно не понять?

А еще говорят, программировать на сих машинах нужно будет на иероглифах.

Ответить
Lif
0
Mimodil старожил (327 комментариев)
28 апреля 2014 г. 15:37:04 #

Ну что за люди - то статья слишком тупая, то слишком заумная, не угодишь никак!)

Будущее за всякими нейро-био-хренями, ящитаю. Если людство в (не)обозримом будущем совершит новый скачок, то благодаря открытиям именно в этой сфере. Даёшь зерг раш!

Ответить
Mimodil
0
Евгений Бонд гагаджетоман (8237 комментариев)
27 апреля 2014 г. 23:16:27 #

хм... а если представить себе, что в будущем всё (в том числе и гаджеты) завязано на интернете (примерно как хромбуки) и для этого нужны будут квантовые серверные?

Ответить
Евгений Бонд
0
Dreamburner ветеран (609 комментариев)
28 апреля 2014 г. 10:02:49 #

А зачем? У квантовых компьютеров достаточно узкие сферы применения (даже если не учитывать ограничения). Они могут быть в суперкомпьютерах некоторых видов, но полностью заменить традиционные не смогут по разным причинам. В т.ч. из-за высокой сложности. да и использование их для интернета... это все равно что забивать гвозди туннельным микроскопом. Вот для хранения информации, теоретически, можно было бы использовать, но.... опять же, если решатся непреодолимые на сегодняшний день преграды.

Ответить
Dreamburner
0
Velikan39 старожил (239 комментариев)
28 апреля 2014 г. 18:40:40 #

"он ещё может находиться в суперпозиции этих двух состояний (то есть в своего рода «промежуточном состоянии» между ними)" Шо?! Автор либо уточните , что вы понимаете под суперпозицией, либо под "промежуточным положением". Ну никак не одно и тоже. "Таким образом, система из n кубитов (квантовый регистр) позволяет записать 2n базисных состояний, каждое из которых, в свою очередь, представляет собой суперпозицию из 2n слагаемых. " Стоп, так все же - +2 состояния или + 2n? А то получается (2^n)^n состояний. "дильбертовым" ай-я-яй, провереть стоило хотя бы поисковиком что это, очевидно же: гилбертово пространство. "многомерным Гильбертовым" э.. масло масляное?

Ответить
Velikan39
0
Павел Урусов гагаджетоман (4018 комментариев)
28 апреля 2014 г. 19:03:39 #

Спасибо за замечание, я на самом деле очень долго ломал голову, как это написать так, чтобы было более-менее понятно без формул. Мне-то самому с формулами проще: написал x|0> + y|1>, где x ∈ C, y ∈ C, |x|^2 + |y|^2 = 1 — и никаких разночтений.

Пространство, конечно же, Гильбертово (то есть евклидово, расширенное до любого количества измерений). Плохо писать статьи в 4 часа утра :-) доберусь до стационарного компьютера — исправлю.

Ответить
Павел Урусов
0
Velikan39 старожил (239 комментариев)
28 апреля 2014 г. 19:32:35 #

Лампа и люстра же. Есть два состояния: горит и не горит. Простая лампа с одиночным выключателем позволяет просто перевести из одного состояния в другое. На люстру уже более сложный выключатель: она может не гореть или гореть всеми лампами - обычные значения, а может гореть и не гореть одновременно! (суперпозиция) 1 лампа горит. остальные нет, и т.д., причем перейти от одного состояния к другому можно простым нажатием 1 переключателя (вентиля)

Ответить
Velikan39
0
Анатолий Фрей читатель (40 комментариев)
29 апреля 2014 г. 6:54:17 #

Вот этот парень умеет обьяснять

Ответить
Анатолий Фрей
0
svida гаджетоман (83 комментария)
3 марта 2014 г. 3:33:33 #

говоря о люстрах, можно вспомнить и о димерах - интенсивности подачи тока/яркость иллюминации... Но относится ли это к делу, судить сложно P.S. Немного Юмора: D-Wave One таки квантовый компьютер, ведь он является и не является им одновременно!

Ответить
svida
0
Prosto Ludin читатель (1 комментарий)
5 декабря 2015 г. 17:16:03 #

красава,а я вообще себе представил космос и прямой луч лазера как вектор, в одном направлении он имеет один регистр значений а поменяв градус наклона этого луча этот регистр меняется на другой набор значений)

Ответить
Prosto Ludin
0