кубит что такое в квантовом компьютере
Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
Это прорыв в технологиях или очередной биткоин?
Сейчас много говорят о новых технологиях вычисления — в частности, то и дело звучат слова «квантовые вычисления», «квантовый интернет» и даже «квантовая криптография». Посмотрим, что это такое и нужно ли оно нам. Начнём с квантового компьютера.
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:
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:
Кубит может принимать все значения, которые видны на цветной сфере
Все решения уже известны
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.
Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию
Как делают кубиты и в чём сложность
Максимально упрощённо: чтобы получить рабочий кубит, нужно взять один атом, максимально его зафиксировать, оградить от посторонних излучений и связать с другим атомом специальной квантовой связью.
Чем больше таких кубитов связано между собой, тем менее стабильно они работают. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером нужно не менее 49 кубитов — а это очень неустойчивая система.
Основная сложность — декогеренция. Это когда много кубитов зависят друг от друга и на них может повлиять всё что угодно: космические лучи, радиация, колебания температуры и все остальные явления окружающего мира.
Такой «фазовый шум» — катастрофа для квантового компьютера, потому что он уничтожает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер превращается в обычный — и очень медленный.
С декогеренцией можно бороться разными способами. Например, компания D-Wave, которая производит квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы отсечь все внешние процессы. Поэтому они такие большие — почти всё место занимает защита для квантового процессора.
Квантовый процессор на девяти кубитах от Google
Зачем нужны квантовые компьютеры
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.
Ещё квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, расчёта физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Это, возможно, позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоёмкие задачи.
Кубиты вместо битов: какое будущее готовят нам квантовые компьютеры?
Одной из главных научных задач нашего времени стала гонка за создание первого полезного квантового компьютера. В ней участвуют тысячи физиков и инженеров. Свои концепты разрабатывают IBM, Google, Alibaba, Microsoft и Intel. Как мощное вычислительное устройство изменит наш мир, и почему это так важно?
Представьте на мгновение: полноценный квантовый компьютер создан. Он стал привычным и естественным элементом нашей жизни. О классических вычислениях теперь говорят только в школе, на уроках истории. Где-то глубоко в холодных подвалах мощные машины оперируют кубитами, чтобы поддерживать работу роботов, оснащенных искусственным интеллектом. Они выполняют все опасные и просто монотонные дела. Прогуливаясь по парку, вы смотрите по сторонам и видите всевозможных роботов. Человекоподобные существа выгуливают собак, продают мороженое, ремонтируют электропроводку, подметают территорию. Некоторые модели заменяют домашних любимцев.
Мы получили возможность раскрыть все тайны Вселенной и заглянуть внутрь самих себя. Медицина вышла на новых уровень — инновационные лекарственные препараты разрабатываются каждую неделю. Мы можем прогнозировать и определять, где находятся дефицитные ресурсы, такие как газ и нефть. Решена проблема глобального потепления, оптимизированы методы сбережения энергия, в городах больше нет пробок. Квантовый компьютер не только управляет всеми роботизированными машинами, но и обеспечивает свободное движение: следит за ситуацией на дорогах, корректирует маршруты и перехватывает управление у водителей в случае необходимости. Вот так может выглядеть квантовый век.
Квантовая золотая лихорадка
Перспективы применения поражают воображение, поэтому инвестиции в квантовые разработки растут с каждым годом. Мировой рынок квантовых вычислений оценили в 81,6 млн долларов США в 2018 году. Специалисты Market.us предполагают, что к 2026 году он достигнет 381,6 млн долларов США. То есть будет увеличиваться в среднем на 21,26% в год с 2019 по 2026.
Этот рост стимулируется растущим использованием квантовой криптографии в приложениях безопасности и обусловлен инвестициями заинтересованных сторон рынка квантовых вычислений. К началу этого года, по данным анализа научного журнала Nature, частные инвесторы профинансировали по меньшей мере 52 компании по квантовым технологиям во всем мире. Над созданием практически применимого квантового компьютера бьются такие крупные игроки, как IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel, D-Wave Systems.
Да, пока денежные средства, поступающие в эту область ежегодно, представляют собой небольшие затраты (для сравнения: в 2018 году инвестиции в ИИ составили 9,3 млрд долларов США). Но эти цифры существенны для незрелой отрасли, которая еще не может похвастаться показателями эффективности.
Решение квантовых задач
Нужно понимать, что на сегодняшний день технология все еще находится в зачаточном состоянии. Удалось создать только прототипы квантовых машин, единичные экспериментальные системы. Они способны исполнять фиксированные алгоритмы небольшой сложности. Первый 2-кубитный компьютер был создан в 1998 году, и человечеству потребовался 21 год, чтобы довести устройства до должного уровня, так называемого, «квантового превосходства». Этот термин ввел в обращение профессор Калифорнийского технологического института Джон Прескилл. И он означает способность квантовых устройств решать задачи быстрее самых мощных классических компьютеров.
Прорыв в этой области совершила калифорнийская компания Google. В сентябре 2019 года корпорация заявила, что их 53-кубитное устройство Sycamore за 200 секунд справилось с вычислением, на выполнение которого у самого современного суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. Заявление вызвало много споров. В IBM с такими расчетами категорически не согласились. В своем блоге компания написала, что их суперкомпьютер Summit справится с такой задачей за 2,5 дня. И все, что для этого нужно, — увеличить емкость дискового хранилища. Хоть на деле разница оказалась не такой колоссальной, Google действительно первой достигла «квантового превосходства». И это является важной вехой в компьютерных исследованиях. Но не более того. Подвиг Sycamore носит исключительно демонстрационный характер. Он не имеет практического применения и бесполезен для решения реальных задач.
Основной проблемой является аппаратное обеспечение. Если традиционные вычислительные биты имеют значение 0 или 1, то в странном квантовом мире кубиты могут находиться в обоих состояниях одновременно. Это свойство называется суперпозицией. Кубиты похожи на крутящихся волчков: вращаются одновременно и по часовой стрелке, и против, двигаются и вверх, вниз. Если находите это запутанным, то вы в отличной компании. Ричард Фейнман как-то сказал: «Если думаете, что понимаете квантовую механику, значит, вы ее не понимаете». Смелые слова от человека, который получил Нобелевскую премию за … квантовую механику.
Итак, кубиты крайне нестабильны и подвержены внешним воздействиям. Проезжающая под окнами лаборатории машина, внутренний шум системы охлаждения, пролетающая космическая частица — любая случайная помеха, любое взаимодействие нарушает их синхронность и они декогерируют. Это губительно для вычислений.
Ключевой вопрос для развития квантовых вычислений заключается в том, какое аппаратное решение из множества исследованных будет обеспечивать стабильность кубитов. Тот, кто решит проблему нарушения когерентности и сделает квантовые компьютеры такими же распространенными, как графические процессоры, получит Нобелевскую премию и станет самым богатым человеком на свете.
Путь к коммерциализации
В 2011 канадская компания D-Wave Systems Inc. первой стала продавать квантовые компьютеры, хотя их полезность ограничена определенными математическими задачами. А в ближайшие месяцы миллионы разработчиков смогут начать использовать квантовые процессоры через облако — IBM обещает предоставить доступ к своему 53-кубитному устройству. Пока в рамках программы под названием Q Network такую привилегию получили 20 компаний. Среди них производитель техники Samsung Electronics, автопроизводители Honda Motor и Daimler, химические компании JSR и Nagase, банки JPMorgan Chase & Co. и Barclays.
Большинство компаний, эксперементирующих сегодня с квантовыми вычислениями, рассматривают их как неотъемлемую составляющую будущего. Сейчас их главная миссия — узнать, что работает в квантовых вычислениях, а что нет. И быть готовыми первыми внедрить технологию в бизнес, когда она будет готова.
Транспортные организации. Volkswagen совместно с компанией D-Wave разрабатывает квантовое приложение — систему управления дорожным движением. Новая программа даст возможность общественным транспортным организациям и компаниям такси в крупных городах более эффективно использовать свой автопарк и минимизировать время ожидания пассажиров.
Энергетический сектор. ExxonMobil и IBM продвигают применение квантовых вычислений в энергетике. Они сосредоточены на разработке ряда новых энергетических технологий, повышении энергоэффективности и сокращении выбросов парниковых газов. Масштабы и сложность задач, с которыми сталкивается энергетический сектор, выходят за рамки современных традиционных компьютеров и хорошо подходят для тестирования на квантовых.
Фармацевтические компании. Accenture Labs сотрудничает с 1QBit, компанией-разработчиком квантового программного обеспечения. Всего за 2 месяца от исследовательского дела они перешли к проверке концепции — применению приложения по моделированию сложных молекулярных взаимодействий на атомных уровнях. Благодаря мощности квантовых вычислений появилась возможность анализировать более крупные молекулы. Что это даст обществу? Инновационные препараты с наименьшими побочными эффектами.
Финансовый сектор. Технологии, основанные на принципах квантовой теории, все больше привлекают интерес банков. Они заинтересованы в том, чтобы как можно быстрее обрабатывать транзакции, сделки и другие типы данных. Свои эксперименты по разработке специализированного программного обеспечения уже ведут Barclays и JP Morgan Chase (с IBM), а также NatWest (с Fujitsu).
Принятие со стороны таких крупных корпораций и появление предприимчивых квантовых пионеров говорят о коммерческой жизнеспособности кванта. Мы уже видим, как квантовые вычисления применяют для задач реального мира — от повышения энергоэффективности до оптимизации маршрутов автотранспорта. И что важно, ценность технологии будет расти по мере развития.
Что такое квантовый компьютер? Разбор
Интересно, а какая сторона у монетки в тот момент, когда она в воздухе? Орел или решка, горит или не горит, открытое или закрытое, 1 или 0. Все это примеры двоичной системы, то есть системы, которая имеет всего два возможных состояния. Все современные процессоры в своем фундаменте основаны именно на этом!
При правильной организации транзисторов и логических схем можно сделать практически все! Или все-таки нет?
Современные процессоры это произведение технологического искусства, за которым стоят многие десятки, а то и сотни лет фундаментальных исследований. И это одни из самых высокотехнологичных устройств в истории человечества! Мы о них уже не раз рассказывали, вспомните хотя бы процесс их создания!
Процессоры постоянно развиваются, мощности растут, количество данных увеличивается, современные дата-центры ворочают данные сотнями петабайт (10 в 15 степени = 1 000 000 000 000 000 байт). Но что если я скажу что на самом деле все наши компьютеры совсем не всесильны!
Например, если мы говорим о BigData (больших данных) то обычным компьютерам могут потребоваться года, а то и тысячи лет для того, чтобы обработать данные, рассчитать нужный вариант и выдать результат.
И тут на сцену выходят квантовые компьютеры. Но что такое квантовые компьютеры на самом деле? Чем они отличаются от обычных? Действительно ли они такие мощные? Будет ли на них CS:GO идти в 100 тысяч ФПС?
Небольшая затравочка — мы вам расскажем, как любой из вас может уже сегодня попробовать воспользоваться квантовым компьютером!
Устраивайтесь поудобнее, наливайте чай, будет интересно.
Глава 1. Чем плохи обычные компьютеры?
Начнем с очень простого классического примера.
Представим, что у вас есть самый мощный суперкомпьютер в мире. Это компьютер Фугаку. Его производительность составляет 415 ПетаФлопс.
Давайте дадим ему следующую задачку: надо распределить три человека в две машины такси. Сколько у нас есть вариантов? Нетрудно понять что таких вариантов 8, то есть это 2*2*2 или 2 в третьей степени.
Как быстро наш суперкомпьютер справится с этой задачей? Мгновенно! Задачка-то элементарная.
А теперь давайте возьмем 25 человек и рассадим их по двум шикарным лимузинам, получим 2 в 25 степени или 33 554 432 варианта. Поверьте, это число тоже плевое дело для нашего суперкомпьютера.
А теперь 100 человек и 2 автобуса, сколько вариантов?
Считаем: 2 в 100 степени — это примерно 1.27 x 1030 или 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 вариантов.
Теперь нашему суперкомпьютеру на перебор всех вариантов понадобится примерно 4.6*10^+35 (4.6 на 10 в 35 степени) лет. А это уже очень и очень много. Такой расчет займет больше времени чем суммарная жизнь сотен вселенных.
Суммарная жизнь нашей вселенной: 14 миллиардов лет или 14 на 10 в 9 степени.
Даже если мы объединим все компьютеры в мире ради решения, казалось бы, такой простой задачки как рассадка 100 человек по 2 автобусам — мы получим решение, практически никогда!
И что же? Все? Выхода нет?
Есть, ведь квантовые компьютеры будут способны решить эту задачку за секунды!
И уж поверьте — использоваться они будут совсем не для рассадки 100 человек по 2 автобусам!
Глава 2. Сравнение. Биты и Кубиты
Давайте разберемся, в чем же принципиальная разница.
Мы знаем, что классический процессор состоит из транзисторов и они могут пропускать или не пропускать ток, то есть быть в состоянии 1 или 0 — это и есть БИТ информации. Кстати, рекомендую посмотреть наше видео о том как работают процессоры.
Вернемся к нашему примеру с двумя такси и тремя людьми. Каждый человек может быть либо в одной, либо в другой машине — 1 или 0.
Для решения процессору надо пройти через абсолютно все варианты один за одним и выбрать те, которые подходят под заданные условия.
В квантовых компьютерах используются тоже биты, только квантовые и они принципиально отличаются от обычных транзисторов.
Они так и называются Quantum Bits, или Кубиты.
Что же такое кубиты?
Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Их главное свойство — они способны находиться одновременно в 2 состояниях, то есть в особом состоянии — суперпозиции.
Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка….
В нашем случае они одновременно 1 и 0!
Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось.
Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики!
Квантовый компьютер внутри
Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество.
И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать.
И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки.
Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной!
Принцип работы квантового компьютера
Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера:
Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами.
Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно!
Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то!
Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный?
Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам.
Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно:
1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров!
Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.
У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ.
Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз!
Квантовые компьютеры сегодня
Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов!
На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Их разработкой занимаются GOOGLE, IBM, INTEL, MICROSOFT и другие компании поменьше. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров.
Сундар Пичаи и Дэниэл Сэнк с квантовым компьютером Google. Октябрь 2019
В октябре прошлого года, в журнале Nature, Google выложила статью, которая шарахнула по всему миру огромными заголовками — КВАНТОВОЕ ПРЕВОСХОДСТВО!
В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет!
Конечно IBM было очень обидно и они начали говорить, что задача слишком специальная, и вообще не 10000 лет, а 2.5 дня, но факт остается фактом — квантовое превосходство было достигнуто в определенной степени!
Так что теперь вопрос считанных лет, когда квантовые компьютеры начнут использоваться повсеместно! IBM, например, только что анонсировали что в 2023 году создадут коммерческий квантовый компьютер с 1121 кубитами!
Чтобы вы понимали калькулятор Google даже не считает сколько будет 2 в 1121 степени, а просто говорит — бесконечность! И это совсем не предел.
Уже ведется разработка компьютеров на миллионы кубитов — именно они откроют истинный потенциал квантовых вычислений.
Более того, вы уже сейчас можете попробовать самостоятельно попробовать квантовые вычисления! IBM предлагает облачный доступ к самым современным квантовым компьютерам. Вы можете изучать, разрабатывать и запускать программы с помощью IBM Quantum Experience.
Но зачем вообще нужны квантовые компьютеры и где они будут применяться?
Естественно, не для распихивания людей по автобусам.
Задач множество. Главная — базы данных и поиск по ним, работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок! Кроме того симуляции и моделирование квантовых систем! Зачем это надо — спросите вы?
Это очень важно, так как появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений.
Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просто умопомрачительные просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее. Простор огромен!
Чтобы вы примерно понимали какая это сложная задачка, мы вернемся в примеру с монеткой. Представьте что вам надо заранее смоделировать что выпадет — орел или решка.
Надо учесть силу броска, плотность воздуха, температуру и кучу других факторов. Сложно? Ну не так уж!
А теперь представьте, что у вас не один человек, который кидает монетку, а миллион разных людей, в разных местах, по-разному кидают монетки. И вам надо рассчитать что выпадет у всех! Вот примерно настолько сложная эта модель о взаимодействии белков.
Кроме того, вы наверняка слышали о том, что квантовые компьютеры сделают наши пароли просто пшиком, который можно будет подобрать за секунды. Но это уже совсем другая тема…
Вывод
Какой вывод из всего этого мы можем сделать, квантовый компьютер — это принципиально новая система. Она отличается от обычных компьютеров в самом фундаменте, в физических основах на которых работает.
Их на самом деле даже нельзя сравнивать! Это все равно, что сравнивать обычные счеты и современные компьютеры!
И конечно есть большие сомнения, что вы когда-нибудь сможете прийти в магазин и купить свой маленький квантовый процессор. Но они вам и не нужны. Квантовые компьютеры для обычного пользователя станут как современные дата-центры, то есть нашими невидимыми помощниками, которые расположены далеко и которые просто делают нашу жизнь лучше или как минимум другой!