Huawei MatePad 11
СтаттіТехнологіїПро квантові комп'ютери простими словами

Про квантові комп’ютери простими словами

-

Про квантові комп’ютери ми чуємо щонайменше кілька років. Але що це таке? Для чого потрібен квантовий комп’ютер? Сьогодні про це все простими словами.

Квантовий комп’ютер – це винахід, на який багато дослідників покладають великі надії, чекаючи, що він позитивно вплине на розвиток науки. Однак зрозуміти, як працює квантова фізика, дуже складно. Деякі фізики навіть сумніваються, чи слід так називати нинішні “квантові комп’ютери”. Найбільшою перешкодою у використанні квантових обчислень є велика кількість помилок, на які впливають навіть найменші зміни в середовищі квантових машин. Наразі нам ще не вдалося повністю задовільно використати можливості квантових бітів. Сьогодні спробуємо з’ясувати, що особливого в цих самих квантових бітах?

Про квантові комп'ютери простими словами

Чи існують квантові комп’ютери?

Сутність будь-якого справжнього вченого у тому, щоб не довіряти і весь час перевіряти. Саме ці слова я запам’ятав ще студентом. І не один раз впевнився в правильності цієї фрази. Це стосується і “квантових комп’ютерів”. Чому я взяв в лапки назву цих комп’ютерів? Давайте з’ясуємо.

Про квантові комп'ютери простими словами

Квантові комп’ютери – дуже складна тема, але я намагатимусь зробити її якомога простішою і доступно про них розказати. Навіть сьогодні вчені, фізики та інженери можуть обговорювати таке, здавалося б, просте питання, чи існує десь у світі робочий квантовий комп’ютер. “Але як же, адже такі компанії, як IBM, хваляться квантовими комп’ютерами!”- хтось може сказати. І він буде правий. Залишається відкритим питання, чи створила IBM дійсно квантовий комп’ютер, чи просто назвала свій пристрій “квантовим комп’ютером”.

Про квантові комп'ютери простими словами

Коли мене хтось із друзів просить простими словами пояснити, чим квантові комп’ютери відрізняються від звичних нам комп’ютерів, то я, зазвичай, використовую просте порівняння. Якщо наші класичні комп’ютери (такі як ПК, ноутбуки та смартфони) – це свічки, то квантові комп’ютери – це лампочки. Призначення обох однакове – для ламп розжарювання та свічок це випромінювання світла, а для комп’ютерів – проведення розрахунків. Однак в обох випадках мета досягається зовсім інакша і результат інший. Простими словами, квантовий комп’ютер – це не просто вдосконалена версія сучасних комп’ютерів, як і лампочка – це не просто більш велика свічка. Ви не можете створити лампочку, роблячи свічки все кращими і кращими. Лампочка – це інша технологія, заснована на більш глибокому науковому розумінні. Так само квантовий комп’ютер – це новий тип пристроїв, заснований на квантовій фізиці, і так само, як лампочка змінила суспільство, квантові комп’ютери можуть впливати на багато аспектів нашого життя, включаючи потреби в безпеці, охорону здоров’я та навіть Інтернет.

Про квантові комп'ютери простими словами

Тож, якщо дотримуватися порівняння комп’ютерів з лампочками, то “квантовий Джозеф Свон” (творець першої функціональної лампочки розжарювання) ще не з’явився, і поки що наука намагається, говорячи простими словами, зробити “щось червоне і гаряче”, перевіряючи, наскільки сильно воно світиться. Ми знаємо деякі теоретичні основи роботи квантових комп’ютерів, але на їх розвитку існують величезні перешкоди, які ще чекають на своє вирішення.

Дослідницькі центри та компанії з усього світу проводять подальші випробування та дослідження, і фахівці у галузі квантової фізики сходяться на думці, що від створення повноцінно функціонуючих квантових машин, які ми зможемо використовувати для досягнення цілей, яких на даному етапі неможливо досягти, пройдуть, очевидно, десятки років.

Я вважаю, і зі мною погодяться багато вчених, що машини, які на даний час називаються квантовими комп’ютерами, зовсім не заслуговують такої назви. Їм бракує можливості виконувати обчислення або вирішувати проблеми, які ми не можемо вирішити звичайним, класичним способом.

Ми ще не досягли такого ступеню свого технологічного розвитку, щоб мати можливість створити квантову машину, яка вирішить задачі, наразі недоступні для класичних комп’ютерів. Звичайно, Google або IBM говорять про ті чи інші виконані обчислення, які важко було б зробити класичним способом, але на даний момент вони не переконливі.

Читайте також: Китай теж рветься освоювати космос. То як в них справи?

Що таке квант?

Що взагалі таке “квант”? Це не фізичний об’єкт. Термін “квант” використовується у фізиці для опису якомога меншої частки чогось. Отже, ви можете мати «квант сили», «квант часу» або «квант частинки». Йдучи цим шляхом, ми дійдемо до таких термінів, як «квантова фізика» та «квантова механіка», тобто галузей науки, що займаються найменшими можливими взаємодіями або системами – на рівні атомів і навіть окремих кварків.

Про квантові комп'ютери простими словами

І ось ми дійшли до кубіта (квантового біта), тобто до «найменшої та неподільної одиниці квантової інформації». У той же час ми також підходимо до першої точки, яка розповідає нам про подібності та відмінності у тому, як класичні комп’ютери (за допомогою бітів) та квантові комп’ютери (за допомогою кубітів) виконують обчислення.

Про квантові комп'ютери простими словами

У класичних комп’ютерах кожна інформація зберігається як послідовність одиниць та нулів. Така інформація сприймається та інтерпретується комп’ютером, консоллю, смартфоном, розумним годинником та смарт-телевізором, подібно до операцій, які виконуються над цією інформацією. Незалежно від того, переглядаємо ми фотографії з відпустки, спілкуємося з друзями в чаті, граємо в останню гру або виконуємо розширені криптографічні розрахунки – все відбувається в двійковій системі, де є 0 або 1 і нічого іншого. Насправді, це більш схоже на класичне “так” чи “ні”.

Наскільки неефективною є ця система, видно, коли ми доходимо до її меж. І незалежно від того, чи бракує нам місця на смартфоні для чергового селфі, чи вчені намагаються створити математичні моделі розвитку пандемії, проблема полягає в тому, що занадто багато нулів і одиниць, і ресурсів для їх зберігання та потужностей для їх обчислення немає.

Про квантові комп'ютери простими словами

Кубіт вирішує цю проблему. Ця частина інформації використовує властивості квантової фізики, які дозволяють їй залишатися у так званій суперпозиції. Кубіт може приймати будь-яке значення від 0 до 1. Він має властивості всього спектра і може мати значення, наприклад, на 15 відсотків нуль і на 85 відсотків один. Теоретично це дозволяє зберегти набагато більше інформації, або пришвидшити обчислення. Але при цьому також виникає маса проблем, які важко контролювати і навіть зрозуміти.

Про квантові комп'ютери простими словами

Ще однією особливістю квантових комп’ютерів, яка дозволяє додатково масштабувати обчислювальний приріст потужності, є використання квантового переплутування. Це стан, коли два кубіти з’єднані між собою, і кожного разу, коли ми спостерігаємо один з них, інший буде знаходитися у точно такому ж стані. Заплутаність дозволяє згрупувати кубіти в ще більш ефективні одиниці для запису та обробки інформації.

Читайте також: Хто такі біохакери та навіщо вони добровільно чипують себе

Квантове обладнання

Квантовий комп’ютер складається з трьох основних частин: області для зберігання кубітів, методу передачі сигналів кубітам та класичного комп’ютера для запуску програми та надсилання інструкцій.Про квантові комп'ютери простими словами

Квантовий матеріал, який утворює кубіти, є делікатним і надзвичайно чутливим до впливів навколишнього середовища. Для деяких методів зберігання кубітів одиниця, яка вміщує кубіти, тримається при температурі, близькій до абсолютного нуля, щоб максимізувати їх узгодженість. Інші типи кубітових сховищ використовують вакуумну камеру для мінімізації вібрації та стабілізації кубітів.

Існують різні методи передачі сигналів кубітам, наприклад мікрохвилі, лазер та електрична напруга.

Щоб налагодити нормальну роботу квантових комп’ютерів, потрібно вирішити багато проблем. Суттєвою проблемою квантових комп’ютерів є виправлення помилок, а масштабування (додавання більшої кількості кубітів) ще більше збільшує частоту їх появи. Через ці обмеження квантовий персональний комп’ютер на вашому столі все ще є картиною з далекого майбутнього, але комерційні квантові комп’ютери можуть стати доступними вже найближчим часом. Про це давайте більш детально.

Проблеми квантових комп’ютерів

Однак у квантових комп’ютерів є одна величезна проблема. Тобто, вчені мають величезну проблему з їх використанням, оскільки, завдяки своїм особливим властивостям, кубіти потребують достатньо спокійного середовища, щоб було можливо точно зчитувати будь-які дані з них. Кожне, навіть найменше порушення зробить неможливим точне зчитування інформації.

У випадку з класичними комп’ютерами подібна проблема також відігравала важливу роль у минулому, але сьогодні вона настільки незначна, що її часто не помічають навіть в академічній науці. Ми говоримо про частоту помилок. Вона є покажчиком, що визначає, яка частка бітів або кубітів інформації може бути пошкоджена. Це може статися, наприклад, у момент перенапруги або інших порушень.

Про квантові комп'ютери простими словами

Для класичних пристроїв ймовірність помилки становить приблизно один до 1017 біт. У випадку з квантовими комп’ютерами це все ще одна з кількох сотень. І це в ситуації, коли квантові комп’ютери працюють у максимально ізольованих умовах і при температурі -272 градуси Цельсія, тобто трохи вище абсолютного нуля. Будь-які коливання температури, зміна електромагнітного поля і навіть рух руйнують весь розрахунок.

Інша проблема – “нестабільність” квантових станів. Кожного разу, коли ми вимірюємо квантовий стан або хочемо його порушити, він повертається в одне з двох положень нуль-один. У такому випадку квантовий стан розпадеться. Цей процес називається квантовою декогеренцією.

Про квантові комп'ютери простими словами

Уявіть собі це так, що квантовий комп’ютер – це кваліфікований математик, який виконує складні обчислення, а його результати становлять від 0 до 1 мільйона. Ми, в свою чергу, є дитиною, яка лише розуміє, що чогось може бути багато чи мало. Кожного разу, коли математик може мати різні результати, наприклад, 356 670,23 або 1 846 662, згідно з нашим розумінням світу кожен з цих результатів буде класифікований як мало (0) або багато (1), без визначення конкретної різниці між ними. Це квантова декогерентність. Єдиний спосіб зробити правильний розрахунок – це гарантувати математику роботу до її закінчення.

Читайте також: Чим на Марсі займатимуться Perseverance та Ingenuity?

Для чого ми будемо використовувати квантові комп’ютери?

Сьогодні постає питання для чого можна використовувати квантові комп’ютери, подібно до того, як 20 років тому, для чого можна використовувати смартфон. Звичайно, вже є деякі плани та припущення, але найцікавіші напрямки для використання кубітів, мабуть, стануть зрозумілими, коли квантові комп’ютери набудуть широкого поширення.

Криптографія – це одна з найпопулярніших сфер, де найчастіше передбачають використання квантових обчислень. Річ у тім, що це буде метод передачі інформації дуже захищеним способом, і безпека базується не на складності обчислювальних процесів, а на законах фізики, що дасть упевненість в тому, що певні речі просто неможливі. І в цей момент неможливо буде прослуховувати, підглядувати, зламувати.

Про квантові комп'ютери простими словами

Безпека в цьому випадку гарантується самими фізичними властивостями кубітів, які, як я пояснював раніше, перестають виявляти особливості суперпозиції, як тільки за ними починають спостерігати. Тож будь-яка спроба перехопити або навіть скопіювати закодоване повідомлення просто знищить його.

Квантові комп’ютери також можуть дозволити нам краще зрозуміти природні процеси. “Хаос” суперпозиції набагато краще відображає спосіб, наприклад, мутацій в ДНК, а отже, розвиток хвороб та еволюцію. Квантові обчислення вже сьогодні використовуються для створення нових препаратів.

Можливо, є сенс говорити про використання квантових комп’ютерів для телепортації даних. Так, саме телепортації даних, а можливо і людини. Ми зможемо телепортувати інформацію з місця на місце, не передаючи її фізично. Це звучить як фантастика, хоча це можливо, оскільки ця плинність квантових частинок може заплутатися у часі та просторі, так що зміна однієї частинки може вплинути на іншу, і це створює канал для телепортації. Це вже було продемонстровано в лабораторіях, і це може бути частиною квантового Інтернету майбутнього. У нас такої мережі ще немає, але деякі вчені вже працюють над цими можливостями, моделюючи квантову мережу на квантовому комп’ютері. Вони вже розробили та впровадили нові цікаві протоколи, такі як телепортація між користувачами мережі та ефективна передача даних, і навіть безпечне голосування.

Про квантові комп'ютери простими словами

Також слід сказати, що квантові комп’ютери повинні використовуватися для моделювання різних ситуацій та пошуку рішень проблем, включаючи медикаменти і вакцини. Наприклад, під час пандемій, подібних коронавірусу, коли потрібне більш швидке обчислення і розрахунок варіантів. От тут можна задіяти можливість квантового моделювання, яке неможливо виконати на класичному комп’ютері. Коли виникає нове захворювання, процес пошуку ліків займає близько 15 років і може коштувати до 2,6 млрд доларів. При деяких захворюваннях необхідно фільтрувати мільйони молекул, щоб виявити лише сотні перспективних людей, які, ймовірно, можуть стати донорами. Потім під час випробувань приблизно 99% молекул відпадає через, серед іншого, неправильне передбачення поведінки та обмеження вибірки. Саме тут на перший план вийшли б квантові комп’ютери.

Про квантові комп'ютери простими словами

І це все ще лише деякі з чудових ідей щодо того, чого можна досягти, використовуючи квантову фізику. Наразі нам у деякій мірі вдається приборкати її примхливий характер, але всі розробки поки що на початковому рівні. До створення справжнього квантового комп’ютера і його масового застосування ще досить далеко, та прогрес не стоїть на місці. Тому, можливо, вже через якісь десять років ви читатимете цю статтю за допомогою квантового комп’ютера і будете поблажливо посміхатися.

Читайте також:

Yuri Svitlyk
Син Карпатських гір, невизнаний геній математики, "адвокат "Microsoft, практичний альтруїст, лівоправосек
5 1 голос
Рейтинг статті
Підписатися
Сповістити про
guest
0 коментарів
Вбудовані Відгуки
Переглянути всі коментарі