Квантовый компьютер. Принцип работы. Квантовый компьютер: как он устроен

Квантовый компьютер - вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики. На настоящий момент были практически реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированный алгоритм небольшой сложности.

Как пишет редакция издания Science Alert, группа специалистов из Университета Вены смогла разработать первый в истории квантовый роутер и даже провела первые испытания нового устройства. Это первое устройство, которое может не только принимать запутанные фотоны, но и передавать их. Кроме того, схема, используемая в роутере, может стать основой для создания квантового интернета.

Для того чтобы более или менее полноценно раскрыть суть квантовых компьютерных технологий, коснемся сперва истории квантовой теории.
Зародилась она благодаря двум ученым, чьи результаты исследования были удостоены Нобелевских премий: открытие М. Планком кванта в 1918 г. и А. Эйнштейном фотона в 1921 г.
Годом зарождения идеи квантового компьютера стал 1980 г., когда Беньофу удалось успешно продемонстрировать на практике правоту квантовой теории.
Ну а первый прототип квантового компьютера был создан Гершенфельдом и Чуангом в 1998 г. в Массачусетском технологическом институте (MTI). Этой же группой исследователей созданы в два последующих года более совершенные модели.

Для неспециалиста квантовый компьютер – это что-то совершенно фантастическое по масштабам, это вычислительная машина, перед которой обычный компьютер все равно что счеты перед компьютером. И, разумеется, это что-то очень далекое от воплощения.
Для человека, который связан с квантовыми компьютерами, – это устройство, общие принципы действия которого более или менее понятны, однако существует масса проблем, которые следует решить, прежде чем можно будет воплотить его «в железе», и сейчас множество лабораторий по всему миру эти препятствия пытаются преодолеть.
В области квантовых технологий в прошлом уже были достигнуты успехи и частными компаниями, в том числе IBM и DWays.
О новейших достижениях в этой области они регулярно сообщают и сегодня. В основном исследования выполняются японскими и американскими учеными. Япония в стремлении к мировому лидерству в области аппаратного и программного обеспечения расходует огромные средства на разработки в данной области. По сообщениям вице-президента Hewlett-Packard, до 70% всех исследований выполнены в стране восходящего солнца. Квантовые компьютеры являются одним из шагов их целенаправленной компании по завладению лидерством на мировом рынке.

Чем объясняется стремление к овладению этими технологиями? Их бесспорными весомыми преимуществами над полупроводниковыми компьютерами!

ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?

Квантовый компьютер – это устройство для вычислений, которое работает на основе квантовой механики.
На сегодняшний день полномасштабный квантовый компьютер – это гипотетическое устройство, которое невозможно создать с учетом имеющихся данных в квантовой теории.

Квантовый компьютер, для вычисления использует не классические алгоритмы, а более сложные процессы квантовой природы, которые еще называют квантовыми алгоритмами. Эти алгоритмы используют квантовомеханические эффекты:квантовую запутанность и квантовый параллелизм.

Чтобы понять, зачем вообще необходим квантовый компьютер, необходимо представить принцип его действия.
Если обычный компьютер работает за счет проведения последовательных операций с нулями и единицами, то квантовый компьютер использует кольца из сверхпроводящей пленки. Ток может течь по этим кольцам в разных направлениях, поэтому цепочка таких колец может реализовывать одновременно намного больше операций с нулями и единицами.
Именно большая мощность является основным преимуществом квантового компьютера. К сожалению, эти кольца подвержены даже самым малейшим внешним воздействиям, в результате чего направление тока может меняться, и расчеты оказываются в таком случае неверными.

ОТЛИЧИЕ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА ОТ ОБЫЧНОГО

главным отличием квантовых компьютеров от обычных является то, что сохранение, обработка и передача данных происходит не с помощью «битов», а «кубитов» – попросту говоря «квантовых битов». Как и обычный бит, кубит может находиться в привычных нам состояниях «|0>» и «|1>», а кроме этого – в состоянии суперпозиции A·|0> + B·|1>, где A и B – любые комплексные числа, удовлетворяющие условию | A |2 + | B |2 = 1.

ТИПЫ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Можно выделить два типа квантовых компьютеров. И те, и другие основаны на квантовых явлениях, только разного порядка.

компьютеры, в основе которых лежит квантование магнитного потока на нарушениях сверхпроводимости- Джозефсоновских переходах. На эффекте Джозефсона уже сейчас делают линейные усилители, аналого-цифровые преобразователи, СКВИДы и корреляторы.Эта же элементная база используется в проекте создания петафлопного (1015 оп./с) компьютера. Экспериментально достигнута тактовая частота 370 ГГц, которая в перспективе может быть доведена до 700 ГГц.Однако время расфазировки волновых функций в этих устройствах сопоставимо со временем переключения отдельных вентилей, и фактически на новых, квантовых принципах реализуется уже привычная нам элементная база - триггеры, регистры и другие логические элементы.

Другой тип квантовых компьютеров, называемых еще квантовыми когерентными компьютерами, требует поддержания когерентности волновых функций используемых кубитов в течение всего времени вычислений - от начала и до конца (кубитом может быть любая квантомеханическая система с двумя выделенными энергетическими уровнями). В результате, для некоторых задач вычислительная мощность когерентных квантовых компьютеров пропорциональна2N, где N - число кубитов в компьютере. Именно последний тип устройств имеется в виду, когда говорят о квантовых компьютерах.

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ СЕЙЧАС

Но небольшие квантовые компьютеры создаются уже сегодня. Особенно активно в этом направлении работает компания D-Wave Systems, которая еще в 2007 году создала квантовый компьютер из 16 кубитов. Этот компьютер успешно справлялся с задачей рассаживания за столом гостей, исходя из того, что некоторые из них друг друга недолюбливали. Сейчас компания D-Wave Systems продолжает развитие квантовых компьютеров.

Группе физиков из Японии, Китая и США впервые удалось построить на практике квантовый компьютер по архитектуре фон Неймана - то есть с физическим разделением квантового процессора и квантовой памяти. В настоящий момент для практической реализации квантовых компьютеров (вычислительных машин, в основу которых положены необычные свойства объектов квантовой механики) физики используют разного рода экзотические объекты и явления - захваченные в оптическую ловушку ионы, ядерный магнитный резонанс. В рамках новой работы ученые полагались на миниатюрные сверхпроводящие схемы - возможность реализации квантового компьютера с помощью таких схем была описана в Nature в 2008 году.

Собранная учеными вычислительная машина состояла из квантовой памяти, роль которой выполняли два микроволновых резонатора, процессора из двух кубит, соединенных шиной (ее роль тоже играл резонатор, а кубиты представляли собой сверхпроводящие схемы), и устройств для стирания данных. При помощи этого компьютера ученые реализовали два основных алгоритма - так называемое квантовое преобразование Фурье, и конъюнкцию при помощи квантовых логических элементов Тоффоли:

Первый алгоритм представляет собой квантовый аналог дискретного преобразования Фурье. Его отличительной особенностью является гораздо меньшее (порядка n2) количество функциональных элементов при реализации алгоритма по сравнению с аналогом (порядка n 2n). Дискретное преобразование Фурье применяется в самых разных областях человеческой деятельности - от исследования дифференциальных уравнений в частных производных до сжатия данных.

В свою очередь квантовые логические элементы Тоффоли представляют собой базовые элементы, из которых, с некоторыми дополнительными требованиями, можно получить любую булеву функцию (программу). Отличительной особенностью этих элементов является обратимость, что, с точки зрения физики, среди прочего позволяет минимизировать тепловыделения устройства.

По словам ученых, созданная ими система обладает одним замечательным плюсом - она легко масштабируется. Таким образом, она может служить своего рода строительным блоком для будущих компьютеров. По словам исследователей, новые результаты наглядно демонстрируют перспективность новой технологии.

Последние десятилетия компьютеры развивались очень быстро. Фактически на памяти одного поколения они прошли путь от громоздких ламповых, занимающих огромные помещения до миниатюрных планшетов. Стремительно увеличивалась память и скорость. Но наступил момент, когда появились задачи, неподвластные даже сверхмощным современным компьютерам.

Что такое квантовый компьютер?

Появление новых задач, неподвластных обычным компьютерам, заставило искать новые возможности. И, как альтернатива обычным компьютерам, появился квантовый. Квантовый компьютер - это вычислительная техника, в основу действия, которой положены элементы квантовой механики. Основные положения квантовой механики были сформулированы в начале прошлого века. Ее появление позволило решить многие задачи физики, которые не находили решения в классической физике.

Хотя теория квантов уже насчитывает второе столетие, она по-прежнему остается понятной только узкому кругу специалистов. Но есть и реальные результаты квантовой механики, к которым мы уже привыкли – лазерная техника, томография. А в конце прошлого века была разработана теория квантовых вычислений советским физиком Ю. Маниным. Через пять лет Дэвид Дойч обнародовал идею квантовой машины.

Существует ли квантовый компьютер?

Но воплощение идей оказалось не столь простым. Периодически появляются сообщения о то, что создан очередной квантовый компьютер. Над разработкой такой вычислительной техники работают гиганты в области информационных технологий:

1. D-Wave – компания из Канады, которая первой начала выпуск действующих квантовых компьютеров. Тем не менее идут споры специалистов, насколько реально являются квантовыми эти компьютеры и какие преимущества они дают.
2. IBM – создала квантовый компьютер, причем открыла к нему доступ для пользователей интернета для экспериментов с квантовыми алгоритмами. К 2025 году компания планирует создать модель, способную решать уже практические задачи.
3. Google – анонсировала выпуск в этом году компьютера, способного доказать превосходство квантовых на обычными компьютерами.
4. В мае 2017 г. Китайские ученые в Шанхае заявили, что создан самый мощный квантовый компьютер в мире, превосходящий аналоги по частоте обработки сигналов в 24 раза.
5. В июле 2017 г. На Московской конференции по квантовым технологиям было заявлено о том, что был создан 51-кубитный квантовый компьютер.

Чем отличается квантовый компьютер от обычного?

Принципиальное отличие квантового компьютера в подходе к процессу вычисления.

1. В обычном процессоре все вычисления строятся на основе битов, бывающих в двух состояний 1 либо 0. То есть, вся работа сводится к анализу огромного количества данных на предмет соответствия заданным условиям. В основу квантового компьютера положены кубиты (квантовые биты). Их особенностью является возможность быть в состоянии 1, 0, а также одновременно 1 и 0.
2. Возможности квантового компьютера значительно возрастают, так как нет необходимости искать нужный ответ среди множества. В этом случае ответ выбирается из уже имеющихся вариантов с определенной долей вероятности соответствия.

Для чего нужен квантовый компьютер?

Принцип квантового компьютера, выстроенный на выборе решения с достаточной долей вероятности и способность находить такое решение в разы быстрее, чем современные компьютеры, определяет и цели его использования. Прежде всего, появление такого вида вычислительной техники беспокоит криптографов. Это связано со способностями квантового компьютера с легкостью вычислять пароли. Так, самый мощный квантовый компьютер, созданный российско-американскими учеными, способен получить ключи к существующим системам шифрования.

Есть и более полезные прикладные задачи для квантовых компьютеров, они связаны с поведением элементарных частиц, генетикой, здравоохранением, финансовыми рынками, защитой сетей от вирусов, искусственным интеллектом и множеством других, решить которые пока не могут обычные компьютеры.

Как устроен квантовый компьютер?

Устройство квантового компьютера базируется на применении кубитов. В качестве физического исполнения кубитов в настоящее время используются:

• кольца из сверхпроводников с перемычками, с разнонаправленным током;
• отдельные атомы, под воздействием лазерных лучей;
• ионы;
• фотоны;
• разрабатываются варианты использования нанокристалов полупроводников.

Квантовый компьютер - принцип работы

Если с классическим компьютером в работе есть определенность, то на вопрос, как работает квантовый компьютер, ответить непросто. Описание работы квантового компьютера основывается на двух малопонятных для большинства словосочетаниях:

• принцип суперпозиции – речь о кубитах, способных находиться одновременно в позиции 1 и 0. Это позволяет вести одновременно несколько вычислений, а не перебирать варианты, что дает большой выигрыш во времени;
• квантовая запутанность – феномен, отмеченный еще А. Эйнштейном, заключающийся во взаимосвязи двух частиц. Говоря простыми словами, если одна из частиц имеет положительную спиральность, то вторая моментально принимает положительную. Такая взаимосвязь происходит вне зависимости от расстояния.

Кто изобрел квантовый компьютер?

Основа квантовой механики была изложена еще в самом начале прошлого века, как гипотеза. Развитие ее связано с такими гениальными физиками, как Макс Планк, А. Эйнштейн, Поль Дирак. В 1980 г. Ю.Антонов предложил идею о возможности квантовых вычислений. А уже через год Ричард Фейнеман в теории смоделировал первый квантовый компьютер.

Сейчас создание квантовых компьютеров в стадии разработок и даже трудно предположить, на что способен квантовый компьютер. Но абсолютно ясно, освоение этого направления принесет людям много новых открытий во всех областях науки, позволит заглянуть в микро и макромир, узнать больше о природе разума, генетики.

Количество информации в мире возрастает ежегодно на 30%. Только за последние пять лет человечеством было произведено больше данных, чем за всю предшествующую историю. Появляются системы Интернета вещей, в которых каждый датчик отправляет и получает огромное количество данных ежесекундно, и, по прогнозам аналитиков, количество подключенных к Интернету вещей скоро превысит количество пользователей-людей. Эти колоссальные объемы информации необходимо где-то хранить и как-то обрабатывать.

Сейчас уже существуют суперкомпьютеры мощностью более 50 петафлопс (1 петафлопс =1 тыс. трлн операций в секунду). Однако рано или поздно мы упремся в физический предел возможной мощности процессоров. Конечно, суперкомпьютеры все еще смогут расти в размерах, но это не решение проблемы, поскольку и размеры когда-нибудь достигнут своих пределов. По мнению ученых, скоро закон Мура перестанет исполняться и человечеству понадобятся новые, значительно более мощные устройства и технологии обработки данных. Поэтому уже сейчас крупные ИТ-компании работают над созданием совершенно нового революционного типа компьютеров, мощности которых будут в сотни раз превосходить те, что мы имеем на сегодняшний день. Это - квантовый компьютер. Эксперты обещают, что благодаря ему, возможно, удастся найти лекарство от рака, моментально находить преступников, анализируя записи с камер, моделировать молекулы ДНК. Сейчас даже представить сложно, какие еще задачи он сможет решать.

Microsoft старается быть на передовой развития этой области, изучая ее уже на протяжении двадцати лет, ведь тот, кто первым создаст квантовый компьютер, получит неоспоримое конкурентное преимущество. Причем компания работает не только над созданием «железа», но также недавно представила язык программирования, который смогут использовать разработчики. На самом деле очень немногие люди могут похвастаться тем, что понимают принципы работы этого революционного устройства, для большинства из нас это нечто из разряда фантастики. Так что же он собой представляет?

Одной из важнейших частей компьютера, от которой напрямую зависит его мощность, является процессор, который, в свою очередь, состоит из огромного числа транзисторов. Транзисторы - это простейшие части системы, они чем-то похожи на переключатели и могут находиться только в двух положениях: либо «включен», либо «выключен». Именно из комбинаций этих положений складывается двоичный код, состоящий из нулей и единиц, на котором базируются все языки программирования.

Соответственно, чем мощнее компьютер, тем больше транзисторов необходимо для его работы. Производители постоянно уменьшают их размеры, стараясь уместить как можно большее число в процессоры. Например, в новом Xbox One X их миллиарды.

Сейчас размер одного транзистора составляет 10 миллимикрон, то есть одну стотысячную миллиметра. Но однажды будет достигнут физический предел, меньше которого транзистор просто невозможно сделать. Для того чтобы избежать кризиса в развитии ИТ, ученые работают над созданием компьютера, который будет работать по совершенно другому принципу, - квантового. Транзисторы, из которых будет состоять квантовый компьютер, могут находиться одновременно в двух положениях: «включен» и «выключен» и, соответственно, сразу быть и единицей, и нулем, это называется «суперпозиция».

Если мы возьмем 4 стандартных транзистора (бита), то они, работая вместе, могут создать 16 различных комбинаций единиц и нулей. По одной за раз.

Если же мы рассматриваем 4 квантовых транзистора (кубита), то они могут быть всеми 16 комбинациями одновременно. Это огромная экономия места и времени!

Но, конечно же, создать кубиты очень и очень сложно. Ученым приходится иметь дело с субатомными частицами, которые подчиняются законам квантовой механики, разрабатывать совершенно новый подход к программированию и языку.

Существуют различные типы кубитов. Эксперты Microsoft, например, работают над созданием топологических кубитов. Они невероятно хрупки и легко разрушаются от малейших звуковых волн или теплового излучения. Для стабильной работы им необходимо постоянно находиться при температуре –273°C. Однако у них есть и ряд преимуществ перед другими типами: информация, хранящаяся в них, практически не подвержена ошибкам, и, соответственно, квантовый компьютер, созданный на основе топологических кубитов, будет являться сверхнадежной системой.

Квантовый компьютер Microsoft состоит из трех основных уровней: первый уровень - собственно, квантовый компьютер, содержащий кубиты и постоянно находящийся при температуре, близкой к абсолютному нулю; следующий уровень - криогенный компьютер - это тоже совершенно новый тип компьютера, который управляет квантовым и работает при температуре –268°C; последний уровень - компьютер, за которым уже может работать человек, и управляющий всей системой. Подобные компьютеры будут в 100–300 раз превосходить по мощности самые продвинутые суперкомпьютеры, существующие сейчас.

Сегодня мир как никогда близко подошел к изобретению настоящего квантового компьютера: есть понимание принципа его работы, прототипы. И в тот момент, когда мощности обычных компьютеров для обработки всей существующей на Земле информации хватать перестанет, появится квантовый компьютер, знаменующий собой совсем новую эру цифровых технологий.