Сначала был персональный компьютер, потом суперкомпьютер и после квантовый компьютер. Каждое вычислительное устройство занимается своими задачами и в разы сложнее своего предшественника. В этом и кроются главные проблемы квантового компьютера, которые ученые пытаются решить.
Почему квантовые компьютеры в будущем займутся всеми сложными вычислениями?
До тех пор, пока ученые не создали квантовый компьютер, все самые сложные вычисления делал суперкомпьютер. Это устройство, которое не похоже на обычный ПК, так как оно намного крупнее, а также имеет сотни тысяч ядер центрального процессора. Несмотря на это, суперкомпьютер может обработать не все массивы данных.
Суперкомпьютеры не идеальны, чтобы это понять, можно привести в пример простую задачу. Вы находитесь в ресторане, и к вам скоро придут гости, у каждого гостя есть свое пожелание, рядом с кем бы он хотел сидеть. При этом есть только один оптимальный план рассадки. Если речь идет о пяти людях, то может быть 120 комбинаций рассадки, а если 10, то будет больше 3 млн вариантов.
Если дать эту задачу суперкомпьютеру, то он начнет решать ее перебором, постепенно обрабатывая каждую комбинацию гостей. Из-за этого вычисление займет много времени и энергии. Если за эту же задачу возьмется квантовый компьютер, то он создаст многомерное пространство: в нем будут находится все варианты ответа, далее нужно только выбрать верный.
В итоге количество ядер оказывается не важно, так как методы вычисления изначально разные,и чем серьезнее задача, тем больше разница во времени, которое тратит на нее суперкомпьютер и квантовый компьютер. Если первый работает с информацией, записанной в битах или в двоичной системе, где информация записана с помощью последовательности «1» и «0», то второй — в кубитах, в этом случае одна единица информации может быть и «1», и «0», одновременно. В результате кубиты более универсальны, так как могут принимать разные значения.
Зачем нам квантовые компьютеры, где их собираются использовать?
Одно из основных применений квантовых компьютеров — научные вычисления и эксперименты. В этом случае не всегда заранее известен объем данных, которые нужно обработать, поэтому квантовый компьютер отлично подходит для этой задачи. Например, он может воспроизводить то, как двигаются атомы и частицы, при этом моделирование проходит с такой же точностью, как и в Большом адронном коллайдере.
Кроме этого, квантовый компьютер может оперировать огромными массивами данных, в которых есть по несколько миллионов элементов. Поэтому устройство может легко с помощью сверхбыстрого перебора взломать любой пароль или шифр. С другой стороны, квантовый компьютер может также эффективно предотвращать работу мошенников.
Также такое устройство будет эффективно работать в комбинации с ИИ, так как алгоритму часто нужно обращаться к большому объему данных и выдавать нужное решение для дальнейшего анализа.
Квантовый компьютер будет полезен и для финансовой сферы, где нужно обрабатывать большое количество данных, прогнозировать движения рынка, сверять информацию и выдавать готовое решение.
Почему квантовые компьютеры еще не появились везде. Есть ли какие-то проблемы с ними?
Помимо плюсов, у квантовых компьютеров есть и ряд недостатков, которые еще не удалось исправить. Один из них — вопросы, которые может решать квантовый компьютер. Сегодня его используют, только чтобы вычислить информацию, которую обычный компьютер обработать не сможет. Но простую небольшую задачу лучше поручить обычному вычислительному устройству, так как во время работы квантового компьютера появляется слишком много значений и вероятности.
Также квантовый компьютер — это дорого. Например, в Google не рассказывают, сколько компания потратила на разработку квантового компьютера, но на проект выделили «миллиарды долларов».
Кроме этого, квантовый компьютер требует, помимо квалифицированных кадров, особенно сложные условия для работы. Чтобы вычисления происходили корректно, система должна находиться в полной изоляции.
Какие компании занимаются изучением и производством квантовых компьютеров?
Заниматься квантовыми вычислениями самая первая начала компания D-Wave, в 2020 году она предложила работу с 5000-кубитовыми квантовыми компьютерами Advantage для бизнеса. С ними можно взаимодействовать через облако.
Система способна разбивать большую задачу на части для решения классическим и квантовым способами. Однако такие компьютеры не являются универсальными, а используются для решения определенной задачи в качестве вычислителей.
В 2021 году IBM запустила первый Q System One в Германии. Это самый мощный коммерческий квантовый компьютер в Европе, который имеет процессор в 27 кубитов. Систему будет использовать научно-исследовательский институт Фраунгофера.
Также квантовым компьютерами занимаются и в России: специалисты Национальной квантовой лаборатории в 2021 году сообщили о создании прототипа квантового компьютера совместно с РКЦ и ФИАНом.
Он работает на платформе из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой. Сейчас ученые пытаются проводить на ионной платформе прикладные вычисления, моделируют и тестируют алгоритмы.
Квантовый компьютер, который не ошибается, уже сделали или еще нет?
Сегодня полноценно работающего квантового компьютера, который не совершает ошибок, нет. Но мы уже достаточно близки к нему, благодаря ученым из Университета Дьюка в США. У них получилось сделать протокол, который позволил отслеживать ошибки квантового компьютера на каждом этапе вычислений. В результате схема работала на 99% корректно.
Эта система автоматически отслеживает ошибки, в результате их удается исправить на всех этапах работы. Чем меньше ошибок в процессе вычисления, тем стабильнее работа устройства, отмечают авторы.
Исследователи смогли вернуть логический кубит в его начальное состояние и измерить его в 99,4% случаев. Они отмечают, что по отдельности блоки будут работать в 98,9% случаев. Это значит, что авторам удалось серьезно снизить вероятность квантовых ошибок.
Квантовые компьютеры — это будущее мощных вычислительных устройств — чем больше данных, тем сложнее будет устройство.
Изобретение квантового компьютера навсегда изменит наши отношения с информацией — мы будем получать готовые результаты огромных вычислений за несколько секунд, станем быстрее открывать новые свойства элементов, полностью изучим человеческий мозг и геном, а также сможем быстрее создавать лекарства от любых болезней.
Елизавета Приставка
https://hightech.fm/
