Компания Google разработала квантовый компьютер с 53 кубитами и смогла за 200 секунд решить задачу, на которую обычному компьютеру потребовалось бы 10 000 лет!
Что такое квантовый компьютер? Разбор
Вы спросили, и мы выяснили, что такое квантовый компьютер, зачем он нужен и какое будущее у таких компьютеров. Или это уже настоящее?
Интересно, какая сторона у монеты, когда она находится в воздухе? Орел или решка, горит или не горит, открыто или закрыто, 1 или 0. Все это примеры бинарной системы, т.е. системы, которая имеет только два возможных состояния. Все современные процессоры основаны на этом!
При правильном расположении транзисторов и логических схем можно сделать практически все! Или не может?
Современные процессоры — это технологическое произведение искусства, за которым стоят многие десятилетия, если не сотни, лет фундаментальных исследований. И они являются одними из самых высокотехнологичных устройств в истории человечества! Мы уже много раз говорили о них — задумайтесь о процессе их создания!
Процессоры постоянно совершенствуются, мощность увеличивается, объемы данных растут, современные вычислительные центры обрабатывают сотни петабайт (1015 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 байт). Но что бы вы сказали, если бы я сказал вам, что все наши компьютеры далеко не всесильны!
Например, при работе с BigData обычным компьютерам могут потребоваться годы или даже тысячи лет, чтобы обработать данные, рассчитать необходимые изменения и выдать результат.
Именно здесь на помощь приходят квантовые компьютеры. Но что же на самом деле представляют собой квантовые компьютеры? Чем они отличаются от обычных? Действительно ли они настолько сильны? Будут ли они работать с CS:GO при 100k FPS?
Вы давно просили нас затронуть эту тему — устраивайтесь поудобнее!
Небольшое вступление — мы расскажем вам, как каждый из вас может попробовать квантовые вычисления уже сегодня!
Устраивайтесь поудобнее, поставьте чай, будет интересно.
Глава 1. Чем плохи обычные компьютеры?
Начнем с очень простого классического примера.
Предположим, у вас есть самый мощный суперкомпьютер в мире. Это компьютер Fugaku. Его производительность составляет 415 петафлопсов.
Предположим следующую проблему: вам нужно распределить трех человек по двум такси. Сколько вариантов выбора у нас есть? Легко видеть, что существует 8 вариантов, т.е. 2*2*2 или 2 в степени три.
Как быстро наш суперкомпьютер решит эту задачу? Немедленно! Это элементарная проблема.
Если теперь взять 25 человек и посадить их в два роскошных лимузина, то получится 2 умножить на 25, то есть 33 554 432 варианта. Поверьте, это число — детская забава даже для нашего суперкомпьютера.
Теперь 100 человек и два автобуса, сколько существует возможностей?
Давайте посчитаем: 2 в степени 100 — это примерно 1,27×1030! Или 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 опционов.
Ну, нашему суперкомпьютеру потребуется около 4,6*10^+35 (4,6 умножить на 10 в степени 35) лет, чтобы проверить все варианты. Это очень долгий срок. Такое вычисление заняло бы больше времени, чем вся жизнь сотен вселенных.
Общее время жизни нашей Вселенной: 14 миллиардов лет, то есть 14 в степени 10 в степени 9.
Даже если бы мы объединили все компьютеры в мире для решения такой, казалось бы, простой задачи, как посадка 100 человек в два автобуса, мы бы никогда не нашли решения, почти никогда!
И что? И это все? Нет решения?
Да, есть, потому что квантовые компьютеры смогут решить эту проблему за считанные секунды!
И поверьте, они совсем не понадобятся, чтобы вместить 100 человек в два автобуса!
Глава 2. Сравнение. Биты и Кубиты
Давайте посмотрим, в чем заключается принципиальная разница.
Мы знаем, что классический процессор состоит из транзисторов, которые могут пропускать или не пропускать ток, то есть находиться в состоянии 1 или 0 — это и есть БИТ информации. Кстати, рекомендую вам посмотреть наше видео о том, как работают процессоры.
Вернемся к нашему примеру с двумя такси и тремя людьми. Каждый человек может находиться либо в одной, либо в другой машине — 1 или 0.
Это все государства:
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Чтобы решить задачу, процессор должен рассмотреть все возможности по очереди и выбрать те, которые удовлетворяют заданным условиям.
Квантовые компьютеры также используют биты, но в квантовой форме, и принципиально отличаются от обычных транзисторов.
Это так называемые квантовые биты или кубиты.
Умножать целые числа легко, но найти простые множители, на которые распадается число, чрезвычайно сложно для классического компьютера. 15 разлагается на простые числа 3 и 5. Но что если число очень большое и имеет тысячи цифр?
Все решения уже известны
Еще одной особенностью кубитов является то, что их значение зависит от измерения. Это означает, что программист не знает значения кубита, пока он не будет измерен, и что факт измерения также влияет на значение кубита. Это звучит странно, но это свойство квантовых частиц.
Поскольку кубиты находятся во всех состояниях одновременно, пока они не измерены, компьютер немедленно перебирает все возможные решения, поскольку кубиты связаны. Оказывается, решение известно сразу после ввода всех данных. Эта суперпозиция распараллеливает вычисления, что значительно ускоряет алгоритмы.
Сложность заключается в том, что результатом работы квантового компьютера является правильный ответ с определенной вероятностью. И необходимо строить алгоритмы таким образом, чтобы вероятность правильного ответа была как можно ближе к единице.
Как делают кубиты и в чём сложность
Чтобы создать работающий кубит, нужно взять атом, максимально стабилизировать его, защитить от внешнего излучения и соединить с другим атомом через специальную квантовую связь.
Чем больше таких кубитов соединено, тем менее они стабильны. Для достижения «квантового превосходства» над обычным компьютером необходимо как минимум 49 кубитов — а это очень нестабильная система.
Основная проблема — декогеренция. Это происходит, когда множество кубитов зависят друг от друга и на них может влиять все: космические лучи, радиация, колебания температуры и все другие явления окружающего мира.
Такой «фазовый шум» является катастрофой для квантового компьютера, поскольку он разрушает суперпозицию и заставляет кубиты принимать ограниченные значения. Квантовый компьютер становится обычным компьютером — и при этом очень медленным.
К декогеренции можно подойти различными способами. Например, компания D-Wave, создающая квантовые компьютеры, охлаждает атомы почти до абсолютного нуля, чтобы исключить все внешние процессы. Именно поэтому они такие большие — почти все пространство занимает защита квантового процессора.
Зачем нужны квантовые компьютеры
Одним из наиболее важных приложений для квантового компьютера в настоящее время является разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не может быстро разложить число с 30-40 цифрами (или более) на простые коэффициенты. С обычным компьютером это заняло бы миллиарды лет. Квантовый компьютер может сделать это примерно за 18 секунд.
Это означает, что секретов больше не будет, потому что любой алгоритм шифрования может быть мгновенно взломан и предоставить доступ к чему угодно. Это касается всего — от банковских переводов до сообщений в мессенджерах. Может наступить интересное время, когда обычное шифрование перестанет работать, а квантовое шифрование еще только предстоит изобрести.
Квантовые компьютеры также отлично подходят для моделирования сложных ситуаций, например, для расчета физических свойств новых элементов на молекулярном уровне. Возможно, это позволит быстрее находить новые лекарства или решать сложные ресурсоемкие задачи.
В настоящее время квантовые компьютеры не могут сделать все это — они слишком сложны для создания и слишком нестабильны для работы. Пока максимум, к чему может быть приспособлен квантовый компьютер, — это один алгоритм для достижения огромного прироста производительности. Именно для этого их покупают крупнейшие компании — чтобы быстрее решить одну-две наиболее важные задачи.
В Yandex Workshop вы можете стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером по цифровым продуктам. Первая часть обучения всегда бесплатна, поэтому вы можете попробовать то, что вам нравится. Кроме того, существуют программы по трудоустройству.
