Кругозор
Как работают квантовые компьютеры
12 июля 391 просмотр
Кругозор
Как работают квантовые компьютеры
12 июля 391 просмотр

Антон Бахарев
Антон Бахарев

Квантовый компьютер — это новая компьютерная архитектура, в которой для выполнения определенных видов вычислений используется квантовая механика. Вычисления эти намного эффективнее, чем на привычном всем сегодня компьютере (назовем его «классическим»). Как они работают (и почему не работают) — прочитали в книге «ИИ-2041».

Суперсвойства кубитов

Классические компьютеры оперируют битами — это мельчайшая частица, так сказать, «атом» информации. Бит похож на переключатель — он может быть либо нулем (если выключен), либо единицей (если включен). Каждое приложение, веб-сайт или фотография состоит из миллионов таких битов. Использование двоичных разрядов упрощает представление данных и управление классическими компьютерами, но при этом ограничивает их потенциал для решения действительно сложных задач информатики.

В квантовом компьютере используются квантовые биты, или кубиты; обычно это субатомные частицы, такие как электроны или фотоны. Кубиты «живут» по принципам квантовой механики, их свойства достаточно необычны, их можно даже назвать «суперсвойствами».

Первое из них — суперпозиция, способность кубита находиться в любой момент времени в нескольких состояниях разом. За счет этого несколько кубитов в суперпозиции могут одновременно обрабатывать огромное количество данных.

ИИ, решая задачу победы в компьютерной игре, на классическом компьютере будет перебирать разные ходы и опробовать, «вертеть» их до тех пор, пока не нащупает путь, ведущий к выигрышу. ИИ, построенный на квантовых вычислениях, испробует все ходы гораздо быстрее (а значит, эффективнее), к тому же учтет вероятность ошибки — все это экспоненциально снижает сложность процесса.

Второе необычное свойство кубита — спутывание (взаимозависимость). Два любых кубита в квантовом компьютере всегда взаимосвязаны — и действия, выполняемые над одним, влияют на другой, даже если кубиты сильно удалены один от другого. Благодаря спутыванию каждый кубит, добавленный в квантовый компьютер (это возможно сделать программными методами), увеличивает вычислительную мощность машины в геометрической прогрессии.

Чтобы удвоить мощность классического суперкомпьютера стоимостью 100 миллионов долларов, нужно выложить еще столько же; а удвоить мощность квантового компьютера можно, просто добавив еще один кубит.

Обратная сторона

Но у этих потрясающих свойств есть, естественно, и обратная сторона. Квантовый компьютер чрезвычайно чувствителен — на него влияют мельчайшие сбои техники («железа») и даже изменения окружающей среды. Вибрации (от проходящего неподалеку трамвая), электрические помехи, перепады температуры или магнитные волны могут ослабить суперпозицию или даже ликвидировать ее.

Для постройки работоспособного и расширяемого квантового компьютера предстоит придумать новые технологии и создать беспрецедентные вакуумные камеры, сверхпроводники и суперохлаждающие холодильники — только так можно минимизировать потери из-за влияния окружающей среды.

Ученым удалось увеличить количество кубитов, затратив, правда, очень много времени; в 2020 году их стало 65 — против двух в 1998-м. Но их пока по-прежнему слишком мало, чтобы сделать что-нибудь действительно полезное для человечества. На 2022-й год запланирован выпуск чипов с 433, на 2024-й — с 1121 кубитом. Однако и на нескольких десятках кубитов некоторые вычислительные задачи идут в миллионы раз быстрее, чем на классических компьютерах.

В 2019 году Google продемонстрировала это «квантовое превосходство»: 54-кубитный квантовый компьютер за считаные минуты решил задачу (правда, совершенно бесполезную — «экспериментальную»), на которую у классических компьютеров ушли бы годы.

Применение квантовых компьютеров

Одним из вариантов применения функционального квантового компьютера, который однозначно изменит наш мир к лучшему, станет разработка новых лекарств.

Современные суперкомпьютеры могут анализировать только основные молекулы, но их общее число, пригодное для создания эффективного лекарства, экспоненциально больше, чем число всех атомов в наблюдаемой Вселенной.

Для решения задач такого масштаба требуются квантовые компьютеры, принцип работы которых базируется на тех же квантовых свойствах молекул, которые они станут моделировать. Такие компьютеры смогут одновременно создавать новые соединения, моделировать сложные химические реакции с их участием и оценивать их эффективность для лечения различных заболеваний.

Квантовый компьютер сможет давать прогнозы, непосильные для классического компьютера: предлагать способы противодействия климатическим изменениям; предсказывать риски пандемий и последствия изобретения новых материалов; исследовать космос; моделировать деятельность человеческого мозга; понимать квантовую физику.

Из книги «ИИ-2041».

Рубрика
Кругозор

Похожие статьи