Чем квантовые компьютеры отличаются от обычных? Рассказываем, что такое кубиты, как работают квантовые компьютеры и где они будут полезными.
В новостях регулярно появляется информация о том, что кто-то разработал очередной квантовый компьютер и это изменит будущее вычислительной техники. Недавно Google заявила, что ее квантовый компьютер D-Wave, который она описывает как «квантовое превосходство», решает задачи в сто миллионов (!) раз быстрее, чем обычные компьютеры. Если это правда, то что собой представляют кубиты, которые дают такую невероятную производительность?
Немного истории
Впервые о квантовых вычислениях заговорили еще в 1980 году, но тогда дело не продвинулось дальше теории. Физическое воплощение квантовые компьютеры получили несколько лет назад. В 2010 году в Мюнхенском техническом университете ученые продемонстрировали первый работающий пятикубитный компьютер, а первые задачи по вычислению порядковых элементов он выполнил в исследовательском центре компании IBM в Стэндфордском университете.
Сейчас квантовыми компьютерами называют очень производительные машины, которые способны обогнать в скорости и объемах вычислений даже суперкомпьютеры, которыми пользуются ИТ-гиганты или, например, космические агентства вроде НАСА. Но в основе любого такого компьютера лежат кубиты — с них и начнем.
Что такое кубит
Если обычные компьютеры меряются частотой процессора и оперативной памятью, а оперируют битами, то у квантовых для этого используются кубиты. Кубит — базовый элемент вычислений, который представляет собой систему, в которой число частиц аналогично импульсу, а фазовая переменная (энергетическое состояние) — координате. в то время как биты в традиционных компьютерах принимают значение либо нуля, либо единицы, кубиты могу находиться одновременно в обоих этих значениях и в разных их комбинациях. На практике это позволяет создавать многочисленные сочетания и развивать скорость вычислений, сопоставимую с производительностью суперкомпьютеров. О последних мы уже писали ранее в статье «Первые суперкомпьютеры: на заре эпохи больших данных».
Кубит — минимально возможная единица информации в квантовых компьютерах, которая может одновременно находиться в нескольких состояниях пространства и времени. При этом у самих кубитов есть интересные свойства, которые в итоге и определяют ту невероятную вычислительную мощность, которая свойственна квантовым компьютерам, — прежде всего, это суперпозиция и запутанность.
Суперпозицией называют способность кубитов одновременно пребывать во множественных состояниях. Это то же самое, если бы при подкидывании вверх монетки одновременно выпал и «орел», и «решка». Чтобы кубиты оказались в суперпозиции, используют высокоточные лазеры или микроволновые лучи. На практике суперпозиция позволяет с помощью кубитов рассчитывать огромное множество разных результатов.
Запутанными называют пары, где оба кубита пребывают в одном и том же квантовом состоянии. И если состояние одного кубита меняется, второй за ним «повторяет». Это свойство многократно ускоряет вычисления, на которые способны квантовые компьютеры. С другой стороны, из-за запутанности в этих вычислениях часто возникают критичные ошибки.
Почему к квантовым компьютерам неоднозначное отношение?
Главное преимущество квантовых компьютеров перед обычными — скорость вычислений. Так как мы живем в мире, где данные накаливаются с большой скоростью, очевидно, нам нужны инструменты, которые эти данные обрабатывают: сортируют, извлекают из них информацию определенного типа, анализируют, обучают с их помощью системы искусственного интеллекта. в традиционных вычислительных средах производительность растет по закону Мура: количество транзисторов на кристаллах процессоров удваивается каждые два года. С квантовыми компьютерами немного иначе. Они уже демонстрируют скачок производительности, хотя и не во всех задачах, которые нужно решить человеку.
Если вас интересует не только скорость вычислений, но и скорость доступа к любимым веб-сервисам, рекомендуем выбрать подходящий тариф от ОнЛайм. Мы предлагаем пакеты, в которых скорость передачи данных варьируется от 100 Мбит/с до 890 Мбит/с. а еще каждый клиент может воспользоваться дополнительными опциями: купить Wi-Fi-роутер от 10 рублей, получить доступ к облачному хранилищу Яндекс.Диск Unlim или бенефиты в популярных онлайн-играх.
Почему квантовые компьютеры не универсальны
Скорость и производительность — это хорошо, но во многих случаях на первый план выходит точность подсчетов. А здесь квантовые компьютеры все еще отстают от традиционных вычислительных систем. Часто с помощью кубитов невозможно получить точное, однозначное решение задачи. а корректировка ошибок «съедает» дополнительные ресурсы.
Еще одна проблема — сложность построения квантовых алгоритмов. Большие коллективы инженеров работают над тем, чтобы адаптировать классические алгоритмы в квантовые. Без этого ускорить выполнение даже самых простых задач невозможно.
На самом деле существует небольшое количество квантовых компьютеров, которые пока еще не выделяются какими-то невероятными способностями перед теми же суперкомпьютерами. Задачи, которые решают с помощью кубитов, могут быть сколько угодно простыми для офисного ПК, но потребуют много ресурсов квантового компьютера.
D-Wave и «квантовое превосходство»
Возвращаемся к компании Google и ее громкому заявлению о «квантовом превосходстве». ИТ-гигант на весь мир заявил, что его D-Wave решает задачи, с которыми не справятся обычные компьютеры. в Google сделали акцент на программируемый квантовый процессор Sycamore, который способен достигать квантового состояния 53 кубитов. Якобы благодаря ему квантовый компьютер справился за 200 секунд с задачей, на которую у обычного компьютера уйдет 10 тысяч лет!
Это событие могло бы стать величайшим прорывом в технологиях, но, как часто бывает, помешал скепсис конкурентов. в IBM заявили, что Google, мягко говоря, приукрасила действительность и сильно ошиблась в подсчетах производительности. а айбиэмовский компьютер Summit способен сделать те же вычисления, что и D-Wave, но за два с половиной дня (а вовсе не 10 тысяч лет). Другие компании тоже подключились с критикой и заявили о том, что подобные изобретения правильно оценивать не по красивым цифрам, а по реальной полезности.
Не так уж важно, кто первым достигнет «квантового превосходства». Главное, что сегодня за этим термином не стоит ничего, что могло бы изменить нашу жизнь. Широко разрекламированный D-Wave все так же умеет решать… одну задачу и при этом не способен без сложных манипуляций сложить 2+2! Потому еще рано говорить о том, что вскоре квантовые компьютеры изменят нашу жизнь.
Где можно использовать квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры — это high level в мире вычислений. Соответственно, применять их для решения бытовых задач неуместно (и, как мы выяснили выше, преждевременно). Но уже ясно, что квантовые компьютеры потребуются там, где нужно составлять точные экономические прогнозы, искать формулы новых лекарств, разрабатывать полеты в космос или моделировать поведение материи на молекулярном уровне. Первые задания, порученные квантовым компьютерам, были непростыми: в 2016 году в Google на девятикубитном компьютере смоделировали молекулу водорода, а спустя год Microsoft анонсировала язык квантового программирования, интегрированный в Visual Studio. Из более приземленных примеров интересен опыт автомобильного концерна Volkswagen. Его инженеры представили сервис, который вычисляет оптимальные траектории движения автобусов и такси в городах. в этом случае использование квантового компьютера помогло предотвратить появление заторов на дорогах.
Уверены, о других, самых невероятных сценариях использования квантовых компьютеров мы скоро узнаем.
