MY.UAНовости
Квантовое превосходство. Как устроены новейшие суперкомпьютеры и при чем тут кот Шредингера
Квантовое превосходство. Как устроены новейшие суперкомпьютеры и при чем тут кот Шредингера

Квантовое превосходство. Как устроены новейшие суперкомпьютеры и при чем тут кот Шредингера

Почему квантовые компьютеры работают лучше классических, насколько сложные задачи они способны решать и когда мы воспользуемся их услугами.

Все началось в далеком 1900 году, когда немецкий физик-теоретик Макс Планк сделал предположение: энергия поглощается не непрерывно, а по частям. Эти части он назвал квантами (от лат. quantum — "сколько"). А потом понеслось: его гипотеза стала основой для открытий, совершенных Эйнштейном, Бором, Резерфордом, Шредингером и другими физиками, некоторые из которых получили нобелевские премии.

Возможно, в это сложно поверить, но непостижимая и труднообъяснимая квантовая физика нашла практическое применение. Каждый раз, беря в руки флеш-накопитель или CD, вспоминайте об этом.

Но флешки и диски исследователей не удовлетворяли, поэтому они решили "скрестить" квантовую физику и компьютерные вычисления. В результате получился загадочный аппарат со множеством трубочек, призм, зеркал, лазеров, но без монитора — квантовый компьютер. Как недавно показала практика, квантовый процессор ("мозг" компьютера) способен за час справиться с задачей, на которую у суперкомпьютера размером с ангар ушло бы восемь лет.

Таких результатов достигли ученые Китайского университета науки и технологий в Шанхае. Перспективы у этих устройств самые радужные: инженеры мечтают, что в считаные минуты квантовые ПК смогут создать самый совершенный шифр и навсегда покончить с хакерскими атаками, ускорить разработку систем искусственного интеллекта, провести расчеты для фармацевтов, которые помогут в создании действенных и безопасных лекарств. Но до этого далеко. На данном этапе ученые борются за то, чтобы доказать всему миру: квантовые компьютеры способны превзойти классические аналоги.

Как устроен квантовый компьютер

Вся вычислительная техника, включая ПК, работает на основе двоичной системы, состоящей из 0 и 1 (их принято называть битами). Применение этих двух символов упростило и удешевило производство чипов — "мозгов" компьютера. Когда происходит вычислительный процесс, то микропереключатели, которыми оснащен чип, либо проводят ток, либо нет. То есть они постоянно переключаются с 0 на 1 и обратно. Таким образом, им под силу находиться в одном из состояний — "вкл." или "выкл.", 0 или 1.

Макс Планк. Немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики

Работа квантового чипа основана на иной системе, состоящей не только из 0 и 1, но и из промежуточных значений и их комбинаций, благодаря чему переключатели чипа занимают положение между 0 и 1 или могут быть в положении 0 и 1 одновременно. Тут стоит вспомнить кота Шредингера, который, согласно условиям мысленного эксперимента, может быть и жив, и мертв одновременно. То же самое происходит с квантовыми битами (кубитами).

Так в чем же смысл? Выходит, что пока ПК думает над конкретными ответами, квантовый аналог гадает на кубитной гуще? Квантовый компьютер действительно выдает результаты с точки зрения вероятности, но его привлекательность в другом.

Память в кубитах: без конца и начала

Для вычислительной техники важный параметр — память. Классические приборы устроены так, что в определенный момент их программа работает с какой-то ячейкой памяти, что ограничивает возможности устройства. Квантовый компьютер способен одновременно работать со всеми ячейками памяти, благодаря описанной выше "переменчивости" кубитов. Физики утверждают, что теоретически кубиты могут обладать бесконечным количеством памяти. "В квантовых компьютерах кубиты с какой-то вероятностью находятся в состоянии 0 или 1. Вероятность — это число. Чтобы записать это число как можно более точно, необходимо бесконечное количество нолей и единиц. Поэтому в теории 1 кубит — это физическая система с бесконечным количеством памяти", — поясняет в своем докладе физик Анатолий Дымарский.

Кто не шокирован квантовой теорией, тот ее не понял

датский физик-теоретик и общественный деятель
Нильс Бор

Однако пока не существует метода, позволяющего провести точное измерение и сделать предлагаемую точную запись на практике. Поэтому объемы квантовой памяти все же ограничены, но все равно впечатляют. Ученый приводит пример. Итак, память вашего ноутбука равна 15 кубитам, суперкомпьютер имеет память, равную 40 кубитам, а вот 60 кубитов способны уместить всю память всех вычислительных центров мира, вместе взятых. Именно в колоссальной емкости кубитов и состоит вся прелесть квантовых вычислений.

С третьего раза: как проходит поиск самого лучшего решения

Но вернемся к математическим способностям такого компьютера. На первый взгляд он кажется бесполезным в плане вычислений: тогда как суперкомпьютер дает четкий и конкретный ответ, квантовый аналог разбрасывается массой вариантов. Кого такое может устроить? Поверьте, многих.

Квантовый компьютер IBM. Инженеры IBM опытным путем доказали, что квантовые компьютеры эффективнее классических
Фото: Getty Images

Итак, находясь в положении кота Шредингера, квантовая система просчитывает все возможные варианты решения задач, ищет самые оптимальные из них и предлагает лучший в качестве наиболее подходящего. Получив пул корректных ответов, мы сможем проверить, насколько они правильные. Если ответы были неправильными, стоит произвести расчеты еще раз. В итоге достаточно будет трех перезапусков, чтобы получить идеально правильный ответ.

Квантовая "перепутанность": в чем минусы системы

Как это ни странно, но чем больше памяти у квантового компьютера, тем сложнее с ним работать. Так что в кубитах его сила и слабость одновременно. Дело в том, что с увеличением количества квантовых битов и, следовательно, памяти система усложняется и ее становится все труднее поддерживать в изолированном состоянии, а это обязательное условие, иначе ничего не будет работать.

Также важен временной параметр: чем дольше вы эксплуатируете систему, тем более нестабильной она становится. При нестабильном состоянии увеличивается вероятность ее взаимодействия с окружающей средой, и если это случится, то ячейки квантовой памяти разрушатся и превратятся в шум. Именно по такой причине ученые ограничивают количество операций с кубитами. Это представляет большую проблему, стоящую на пути развития квантовых вычислений.

Бен Браун и Пабло Бонилья Атайдес. Атайдес, студент из Австралии, придумал революционный алгоритм для квантовых компьютеров. В этом ему помог научный руководитель Браун

Но есть и подвижки. Студент Сиднейского университета Пабло Бонилья Атайдес, похоже, нашел способ сделать так, чтобы снизить чувствительность кубитов к внешней среде. Большинство ученых, занимающихся данной проблемой, устраняют шумы путем охлаждения устройства до крайне низких температур. Но не во всех случаях метод эффективен. Атайдес предлагает корректировать ошибки путем переключения состояний кубитов таким образом, чтобы их положение во время помех было наиболее оптимальным.

Кто достиг квантового превосходства

Не так давно инженеры компании IBM заявили, что им удалось опытным путем доказать: квантовые компьютеры эффективнее классических. В своей работе ученые исследовали "вычисления в ограниченном пространстве", позволяющие продемонстрировать фундаментальное преимущество вычислений с кубитами над классическими битами. Исследователи математически доказали, что существуют задачи, которые классический компьютер не может вычислить, так как ограничен лишь единицей и нулем, но квантовый компьютер может с ними справиться. На теории ученые не остановились и провели эксперимент, при участии неидеального ("шумного") квантового компьютера и классического. Для решения задачи обычный компьютер использовал электросхему с одним логическим элементом с двумя входами и одним регистром (битом) для хранения промежуточных результатов. Квантовая же схема строилась на четырех кубитах, три из которых кодировали входящий сигнал, а четвертый хранил промежуточный результат.

Важно Магический графен: ученые вывели квантовую электронику на новый уровень

Каждая из систем получала данные, обрабатывала и выдавала результат. Обычный компьютер получал нули и единицы. Если нулей было больше, чем единиц, то он должен был выдать ответ "0". Если единиц было больше, то правильным был ответ "1". В итоге классический компьютер дал правильный результат в 87,5% случаев, тогда как квантовый аналог преуспел в 93% случаев. Тест показывает, что квантовые компьютеры, даже "шумные", являются более мощными вычислительными инструментами.

Где и как мы сможем применить квантовые вычисления

Сфера применения №1 — криптография. Квантовый компьютер способен будет спроектировать систему связи, которой не страшны ни взлом, ни прослушивание. Дело в том, что квантовая криптография основывается не на правилах математики, а на правилах физики. Это значит, что информация переносится по каналам связи не в виде цифрового кода, а с помощью объектов квантовой механики, обладающих физическими средствами. Такими объектами могут служить электроны в электрическом токе или фотоны в линиях волоконно-оптической связи. Если кто-то захочет подслушать ваш разговор, который вы ведете при помощи квантового смартфона, вы тут же об этом узнаете. Система зафиксирует сторонние шумы, свидетельствующие о том, что третья сторона разрушает исходные сигналы, пытаясь вклиниться.

Квантовые вычисления будут применяться в фармаколо­гии, логистике, энергетике и проектиро­вании систем искусственно­го интеллекта

Квантовые вычисления также будут использоваться в биоинженерии, например, для моделирования ДНК-молекул. Принести пользу они могут и фармакологам при разработке препаратов, ведь при расчетах протеины рассматриваются в качестве микроскопических квантовых объектов. Они, как и кубиты, принимают самые разные состояния, а потому симулировать их поведение наиболее точно сможет квантовый компьютер.

Понять, как взаимодействуют атомы тех или иных веществ, и смоделировать новый материал тоже помогут кубиты. Возможно, ученым удастся легко и просто придумать "новый графен".

Важно Доказано на практике: квантовые компьютеры наконец превзошли классические ПК

Алгоритмы машинного обучения, на работе которых базируется любая ИИ-система, требуют недюжинных вычислительных мощностей, с которыми как нельзя лучше справится квантовое вычислительное устройство. Такие отрасли, где нужно одновременно решать множество задач, также требуют эффективности квантовых вычислений. К ним относятся транспортные системы, логистика, энергетика. Наконец, с появлением все большего количества устройств наступит эра квантового интернета, прототип которого уже разрабатывают в Нидерландах.

Теги по теме
наука
Поделиться
Поделиться сюжетом
Источник материала
Яна Глущенко с мужем и сыном показала свой роскошный особняк за 200 тыс. долларов: вид изнутри
TSN
2025-05-16T19:19:10Z
Известный украинский певец высказался о неизлечимом сыне и раскрыл главную проблему
TSN
2025-05-21T16:18:11Z
Победитель Евровидения-2025 хочет исключить Израиль из конкурса
Корреспондент
2025-05-22T15:48:51Z
Мадонна кардинально изменила стиль ради мамы
Корреспондент
2025-05-19T09:15:58Z
Ирина Билык показалась с двумя сыновьями и раскрыла подробности личной жизни
TSN
2025-05-25T07:48:32Z
На войне погиб актер Назар Малик
Корреспондент
2025-05-25T03:12:56Z
Виктор Розовый высказался о разводе с Ольгой Мерзликиной
Корреспондент
2025-05-19T07:57:04Z
Святославу Вакарчуку - 50: ТСН.ua публикует эксклюзивные фото лидера "Океана Эльзы"
TSN
2025-05-14T05:18:43Z
У Меркьюри была внебрачная дочь - Daily Mail
Корреспондент
2025-05-23T21:57:00Z
Зеленский: оружие уже на складах, России не поможет даже 30 дней перемирия
UAToday
2025-05-13T18:27:09Z
В Мексике в прямом эфире убили кандидатку в мэры
Корреспондент
2025-05-13T04:18:18Z
Россия озвучила условия перед переговорами в Стамбуле: чего Кремль требует от Украины
UAToday
2025-05-13T15:45:36Z
Трамп напомнил, что "ненавидит" Тейлор Свифт и сказал, что она "не горячая"
Корреспондент
2025-05-16T20:54:33Z
Трамп сделал новое заявление о Путине и Зеленском
Корреспондент
2025-05-26T02:18:37Z
Трамп отложил пошлины на импорт из ЕС
Корреспондент
2025-05-26T00:54:17Z
В новом правительстве Германии вспыхнул первый скандал - СМИ
Корреспондент
2025-05-16T12:21:28Z
Зеленский в Ватикане встретился с Венсом
Европейская правда
2025-05-18T14:48:10Z
Разведка США раскрыла планы Путина на 2025 год
Корреспондент
2025-05-24T16:33:54Z
Этот паразит грызет клетки человека: ученые сделали жуткое открытие
TSN
2025-05-19T07:48:24Z
Какое питание поможет сохранить здоровье в старости — исследование
TSN
2025-05-17T21:18:17Z
Враги помидоров: список растений, которые нельзя сажать рядом
TSN
2025-05-21T16:33:49Z
Тля на смородине: методы борьбы с вредителями
TSN
2025-05-24T17:52:42Z
Почему лаванда смертельно опасна для кошек: как защитить своего любимца
TSN
2025-05-25T10:18:28Z
Мыло или гель для душа: что выбрать для кожи и гигиены
UAToday
2025-05-24T12:06:20Z
Чем полезен творог и стоит ли есть его каждый день: диетологи рассказали обо всех нюансах
UAToday
2025-05-24T09:03:02Z
Как определить, что авокадо точно спелое: простые уловки
TSN
2025-05-15T14:34:08Z
Как личность влияет на сон: ученые поразили исследованием
UAToday
2025-05-23T12:36:34Z
Эти два знака зодиака могут тянуть из вас энергию: как их распознать и защититься
TSN
2025-05-19T07:18:37Z
Гороскоп для знаков зодиака на 22 мая 2025 года
Корреспондент
2025-05-21T08:03:41Z
На грядке пожелтел весь укроп — в чем причина и как спасти зелень
TSN
2025-05-15T14:34:10Z
Гороскоп на 23 мая 2025 года по картам Таро для всех знаков зодиака
UAToday
2025-05-22T16:55:28Z
Чем обработать картошку перед посадкой, чтобы защитить от колорадского жука
TSN
2025-05-24T17:51:36Z
Гороскоп на 25 мая 2025 года по картам Таро для всех знаков зодиака
UAToday
2025-05-24T15:27:13Z
Что добавить в лунку во время высадки рассады сладкого перца для хорошего урожая
TSN
2025-05-17T20:22:26Z
Гороскоп на 18 мая 2025 года по картам Таро для всех знаков зодиака
UAToday
2025-05-17T15:30:37Z
"Згідний" или "згодний": языковед разъяснил употребление схожих слов
TSN
2025-05-12T17:19:12Z
Медсестра одним выстрелом из гранатомета уничтожила группу оккупантов
Comments UA
2025-05-12T13:52:51Z
Почему Закарпатская область не Ужгородская: историк удивил ответом
TSN
2025-05-17T21:18:56Z
В Киеве объявлена воздушная тревога: что угрожает столице
TSN
2025-05-17T21:18:45Z
Синоптики дали прогноз погоды на сегодня 24 мая в Украине
UAToday
2025-05-24T04:27:56Z
На Сумщине РФ убила мирного жителя, другого ранила
Корреспондент
2025-05-25T23:57:18Z
В Одессе во время атаки БПЛА прозвучали взрывы
Корреспондент
2025-05-25T20:57:28Z
Атака шахедов: в Киеве прогремели взрывы
Корреспондент
2025-05-18T00:18:39Z
Генштаб показал новые карты боев на фронте
Корреспондент
2025-05-24T06:03:54Z
На подконтрольную Украине территорию вернули еще 9 детей
Корреспондент
2025-05-22T15:12:07Z
В ТЦК назвали главную проблему с мобилизацией мужчин старше 55 лет
UAToday
2025-05-14T16:27:28Z
Новое усиление мобилизации: кого ищут ТЦК
Корреспондент
2025-05-23T08:24:46Z
Зеленский отреагировал на идею Папы Льва XIV
Корреспондент
2025-05-14T21:24:03Z
25 мая — какой церковный праздник, почему нельзя резать, рубить или использовать острые лезвия
TSN
2025-05-25T03:06:24Z
РФ запустила ракеты по Украине: куда летят
Корреспондент
2025-05-26T01:36:09Z
Ночью возможен повторный ракетный удар – мониторы
Корреспондент
2025-05-25T18:57:16Z
Максим Нелипа погиб на войне: когда будет прощание и почему его сын не сможет попасть на похороны
TSN
2025-05-20T08:54:29Z
В Турции обнаружили христианскую мозаику накануне визита Папы Римского
Корреспондент
2025-05-19T17:51:03Z
18 мая: церковный праздник сегодня, три вещи, которые лучше не делать в этот день
UAToday
2025-05-18T04:00:15Z
Атака на Киев: известны уточненные данные о последствиях
Корреспондент
2025-05-24T13:03:34Z
На Франковщине чиновник торговал закрытыми данными ГПСУ
Корреспондент
2025-05-16T11:57:53Z
В Ивано-Франковске и Луцке прогремели взрывы
Корреспондент
2025-05-15T03:39:51Z
На Киевщине задержали мужчину за изнасилование 15-летней девушки
Корреспондент
2025-05-13T12:06:52Z
Киев и Харьков под атакой БПЛА
Корреспондент
2025-05-25T22:18:23Z
В Николаеве из-под завалов достали тело женщины
Корреспондент
2025-05-25T20:24:13Z
В Одессе произошёл взрыв во дворе частного дома
Корреспондент
2025-05-13T16:12:12Z
Поджог имущества Стармера: задержан второй подозреваемый
Корреспондент
2025-05-17T21:18:55Z
В ОВА показали последствия атаки дронов на Полтавщине
Корреспондент
2025-05-15T06:21:56Z
Стало известно, каким водителям больше нельзя управлять автомобилем
UAToday
2025-05-24T13:06:02Z
Китай поставил под угрозу производство электромобилей в Европе
Корреспондент
2025-05-19T10:27:19Z
Waymo отзывает почти все свои роботакси из-за столкновений с препятствиями
Корреспондент
2025-05-15T18:30:16Z
Итальянская Giamaro Automobili представила свои первые гиперкары
Корреспондент
2025-05-23T20:15:02Z
Dodge представила обновленный Charger Daytona 2026 модельного года
Корреспондент
2025-05-23T17:15:08Z
Xiaomi представила свой первый кроссовер
Корреспондент
2025-05-22T18:57:39Z
Китайская BYD впервые обогнала Tesla по продажам электромобилей в Европе
Корреспондент
2025-05-22T18:45:00Z
Юный Арвид Линдблад готов заменить Лиама Лоусона в Racing Bulls
Корреспондент
2025-05-22T12:24:30Z
Дебютировало шестое поколение Toyota RAV4
Корреспондент
2025-05-21T17:18:37Z
В NASA зафиксировали в океане гигантскую форму жизни: ее видно даже из космоса
UAToday
2025-05-18T19:15:31Z
Apple готовит технологию управления iPhone с помощью мозга - СМИ
UAToday
2025-05-15T13:03:54Z
В Великобритании нашли скульптуру богини победы возрастом более 1800 лет
Корреспондент
2025-05-21T18:36:10Z
Команда с украинцем выиграла в Казахстане турнир по Counter-Strike 2
Корреспондент
2025-05-19T00:09:16Z
Российскую Елабугу атакуют беспилотники - соцсети
Корреспондент
2025-05-25T21:21:44Z
Nvidia выпустит бюджетный чип с искусственным интеллектом для Китая - СМИ
Корреспондент
2025-05-25T09:09:07Z
В Украине разработали дрон Батяр, похожий на "шахед"
Корреспондент
2025-05-23T21:18:31Z
ИИ Microsoft предсказывает погоду и природные катастрофы точнее людей
Корреспондент
2025-05-23T20:24:24Z
Anthropic представила новые ИИ-модели Claude 4
Корреспондент
2025-05-23T20:03:19Z
Выращивание картофеля: аграрные секреты, о которых знают не все
TSN
2025-05-20T14:06:17Z
Немецкий банк заблокировал Шредеру выплаты из России
Корреспондент
2025-05-25T14:45:13Z
В Украине выросло энергопотребление в конце недели
Корреспондент
2025-05-23T08:06:19Z
Доллар подорожал: курс валют на 19 мая 2025
TSN
2025-05-19T06:06:00Z
Пенсионный фонд увеличил выплаты за последний месяц
Корреспондент
2025-05-24T09:45:46Z
Россия заключит с Бахрейном трехлетний контракт на поставку СПГ
Корреспондент
2025-05-23T17:48:58Z
Санкции уничтожают агросектор РФ - разведка
Корреспондент
2025-05-18T16:39:20Z
Moody's снизило кредитный рейтинг США
Корреспондент
2025-05-16T23:51:08Z
В Украине благодаря содействию ПРООН установлено более 450 МВт генерации
Корреспондент
2025-05-23T17:39:25Z
90 лет без титула, и вот наконец Юнион Сент-Жиллуаз в Бельгии снова чемпион
Корреспондент
2025-05-25T21:30:44Z
Совладелец МЮ лишился почти трети своего состояния
Корреспондент
2025-05-16T20:36:12Z
Прощание с Реалом: заключительный матч сезона стал последним для Модрича
Корреспондент
2025-05-24T17:33:32Z
Достойное обновление эмблемы на форме Динамо после 30-го чемпионства
Корреспондент
2025-05-24T17:00:58Z
Свою отставку подтвердил наставник Кривбасса
Корреспондент
2025-05-25T22:06:28Z
Марта Костюк проигрывает в первом круге Ролан Гаррос
Корреспондент
2025-05-25T21:51:55Z
Довбик назвал настоящего лидера сборной Украины
Корреспондент
2025-05-24T10:21:32Z
Анчелотти хочет вернуть звезду мирового футбола в сборную Бразилии
Корреспондент
2025-05-13T14:39:38Z
Осимхен выбрал для себя приоритетный клуб для дальнейшей карьеры
Корреспондент
2025-05-12T17:18:15Z