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
Солодкий 2008-й, – Тарас Тополя вразив рідкісними фото з молодості
24tv
2025-09-23T20:45:53Z
У Києві стартувала мистецька ініціатива на честь маріупольського художника
Khreschatyk
2025-09-23T20:45:27Z
Олександр Панкратов-Чорний у реанімації через смертельну хворобу - деталі
GlavRed
2025-09-23T19:57:30Z
3 серіали, які варто подивитись, якщо сподобався "Відьмак"
24tv
2025-09-23T19:42:46Z
Новий ведучий "Хто зверху" Дантес зізнався, чи боїться, що його порівнюватимуть з Притулою
24tv
2025-09-23T19:06:44Z
Син Коляденка вперше за довгий час розповів про стосунки з дівчиною, з якою таємно побрався
24tv
2025-09-23T19:00:43Z
Колишня дружина Майкла Дугласа вийшла заміж за графа Дартмутського
360ua.news
2025-09-23T18:21:45Z
Тоня Матвієнко під загрозою суду: чужі пісні коштуватимуть дорого і композитор попередив про небезпеку
Знай
2025-09-23T17:51:11Z
12 фільмів, розв’язку яких ви не зможете передбачити
CutInsight
2025-09-23T17:39:10Z
Новий графік руху поїздів з Дніпра: "Укрзалізниця" зробила важливе оголошення
Политека
2025-09-23T20:00:46Z
Найвідоміший інвестор планети заробив колосальний статок на акціях BYD
Топ Жир
2025-09-23T19:51:58Z
Можуть урізати значну суму: українським пенсіонерам пригрозили штрафами
Знай
2025-09-23T19:30:14Z
За якими підставами суд визнає договір оренди землі недійсним
24tv
2025-09-23T19:00:23Z
Росія збільшила експорт нафти на тлі атак дронів по НПЗ - Bloomberg
УкраинФорм
2025-09-23T19:00:11Z
Енергетична війна загострюється: WP розповіло, до чого готуватися українцям цієї зими
Хвиля
2025-09-23T18:57:54Z
Пенсію можуть заморозити: українцям розкрили, як не залишитися без виплат
GlavRed
2025-09-23T18:27:58Z
НБУ раптово змінив курс долара, євро та злотого: яким буде курс валют 24 вересня
GlavRed
2025-09-23T18:27:37Z
Вітрові електростанції вже не такі вигідні: експерти пояснили чому
InternetUA
2025-09-23T18:27:02Z
The Wall Street Journal просить суддю відхилити позов Трампа щодо статті про його зв'язки з Епштейном
InternetUA
2025-09-23T21:00:57Z
Мої стосунки з Путіним нічого не значили, – Трамп
24tv
2025-09-23T21:00:40Z
Зеленський у Радбезі ООН: Китай зберігає мовчанку замість діяти на користь миру
УкраинФорм
2025-09-23T21:00:23Z
Трамп закликав Україну "діяти зараз" і повернути всю територію в первісних кордонах
Хвиля
2025-09-23T20:57:48Z
"Трамп довіряє більше мені, ніж Путіну": про що говорив Зеленський на зустрічі з президентом США
Фокус
2025-09-23T20:57:46Z
"Може змінити докорінно все": Зеленський розкрив подробиці своєї розмови з Трампом
FaceNews
2025-09-23T20:54:46Z
Зеленський на Радбезі: Путін боїться участі в переговорах
Лига
2025-09-23T20:54:31Z
СБУ заочно оголосила підозру ще одному російському судді, який відправляє до тюрем полонених бійців ЗСУ
УкраинФорм
2025-09-23T20:54:15Z
Що ключового показав Трамп на брифінгу із Зеленським
24tv
2025-09-23T20:48:24Z
У Києві затримали 19-річного зловмисника за викрадення мотоцикла
Khreschatyk
2025-09-23T20:39:28Z
У лікарні помер чоловік, поранений під час російського обстрілу Запоріжжя
УкраинФорм
2025-09-23T19:54:42Z
У поліції показали наслідки російської атаки на Запоріжжя
УкраинФорм
2025-09-23T19:54:34Z
На Прикарпатті викрили керівника благодійного фонду, який вирішив «підзаробити» на ухилянтах
УкраинФорм
2025-09-23T19:54:16Z
"Вікна й двері вибивали вчотирьох": в СОУ розкрили подробиці нападу на ТЦК в Калуші, — ТСН
Фокус
2025-09-23T18:45:23Z
Уявний евакуатор за реальні кошти: чоловіка ошукали на 9 тисяч гривень в інтернеті
InternetUA
2025-09-23T18:30:52Z
Через наближення супертайфуну «Рагаса» Гонконг зупинив авіарейси, у Китаї евакуйовано сотні тисяч людей — Reuters
ZN UA
2025-09-23T18:21:46Z
У Нью-Джерсі сталася “шоколадна” ДТП, фура розсипала тонни M&M’s
360ua.news
2025-09-23T17:45:45Z
Мала 95% опіків: породілля, яка постраждала під час обстрілу Києва, померла в лікарні
24tv
2025-09-23T17:36:52Z
24 вересня: яке сьогодні свято, традиції та заборони
ГЛАВКОМ NET
2025-09-23T21:00:16Z
Учнівські олімпіади по-новому: школярів попередили про зміни
Знай
2025-09-23T20:51:10Z
2 знаки зодіаку, які матимуть найщасливішу осінь – новий прогноз астрологів
24tv
2025-09-23T20:03:39Z
Сейм Литви схвалив поправки, що дають змогу армії оперативно збивати дрони
InternetUA
2025-09-23T19:57:58Z
Поліція готує "сюрприз" водіям: за перевищення швидкості каратимуть інакше
Хвиля
2025-09-23T19:45:50Z
Журналістка Hromadske ввійшла до шортліста премії Thomson Foundation за репортаж з Куп’янщини
Детектор М
2025-09-23T19:45:08Z
Перед відправленням в Естонію: британські бійці помилково атакували свій танк Challenger 2, — ЗМІ
Фокус
2025-09-23T19:30:43Z
Переведення годинників на зимовий час: чи потрібно українцям переводити стрілки і коли
Хвиля
2025-09-23T19:21:22Z
Дмитро Глущенко розповів, чи зможе Україна відбити атаку 1000 шахедів
Знай
2025-09-23T19:21:20Z
Білкові засоби, харчування та стрижка: як зупинити ламкість та випадіння волосся
Знай
2025-09-23T19:51:04Z
Знадобиться лише сода: як повністю очистити забруднену духовку
24tv
2025-09-23T17:06:37Z
Створено універсальні ліки проти рідкісних хвороб
ГЛАВКОМ NET
2025-09-23T16:27:56Z
Красиві, але смертельно небезпечні: які квіти отруйні для котів
24tv
2025-09-23T16:00:04Z
Секрет осінньої підгодівлі: 500 г цього на відро — і ваш сад узимку без хвороб, а навесні дерева сяють здоров’ям
TSN
2025-09-23T15:36:19Z
Одне добриво, яке зробить ґрунт найродючішим: перевірено довгими десятиліттями
24tv
2025-09-23T14:39:17Z
"Критична помилка": трихолог пояснила, як правильно мити волосся
GlavRed
2025-09-23T14:27:23Z
Чи викликає парацетамол аутизм: все про популярний препарат
24tv
2025-09-23T14:21:15Z
Україна успішно пройшла скринінг з ЄС за одним із «найскладніших» розділів - Мінекономіки
УкраинФорм
2025-09-23T13:18:26Z
Модель Maybach V12 Edition — ніби з гаражу лиходія з фільму про Джеймса Бонда
Топ Жир
2025-09-23T20:36:51Z
Subaru припинила виробництво седана Legacy, історія моделі завершена
360ua.news
2025-09-23T19:15:29Z
Ламборгіні йде на дно — і це серйозно
Топ Жир
2025-09-23T19:06:37Z
Китайський спосіб гасіння палаючих електромобілів викидає акумулятори на дорогу й перекладає відповідальність на інших
Топ Жир
2025-09-23T18:36:39Z
Новий електромобіль Ferrari виглядає як фургон для хліба, але це лише оптична ілюзія
Топ Жир
2025-09-23T18:06:33Z
Mercedes-Benz розширює сімейство вантажівок eActros
AutoCentre
2025-09-23T17:03:16Z
Емблема Suzuki змінилася вперше за понад два десятиліття
Фокус
2025-09-23T16:51:12Z
BYD побив рекорд швидкості Bugatti: електрокар розігнався до 496 км/год
ГЛАВКОМ NET
2025-09-23T16:21:09Z
Знайомимось з учасниками Old Car Land 2025: Volkswagen Beetle
AutoCentre
2025-09-23T16:06:05Z
Росіяни завдали ударів по українських містах: є загиблі та поранені
FaceNews
2025-09-23T20:48:02Z
Загроза досі зберігається: у ЗСУ розповіли про нову небезпеку для одного з міст
GlavRed
2025-09-23T20:42:37Z
Харків під масовою атакою дронів: у місті пролунала серія потужних вибухів
GlavRed
2025-09-23T20:42:08Z
Лінія фронту станом на 23 вересня 2025. Зведення Генштабу
ГЛАВКОМ NET
2025-09-23T20:39:40Z
Стародавня гра Київської Русі, у яку грали ще до появи шахів
24tv
2025-09-23T20:21:53Z
На фронті - 140 зіткнень, ЗСУ знешкодили понад 170 окупантів на Покровському напрямку
УкраинФорм
2025-09-23T20:18:57Z
На Буковині митники зупинили спробу незаконного ввезення iPhone 17
InternetUA
2025-09-23T20:12:49Z
На Покровському напрямку пішов за дроном і здався в полон 61-річний військовий РФ
УкраинФорм
2025-09-23T20:12:45Z
У Татарбунарах на Одещині відновили електропостачання після нічної атаки
УкраинФорм
2025-09-23T19:33:56Z
Смак давньої історії: як приготувати автентичний український калинник
24tv
2025-09-23T21:00:12Z
Найстрашніший вулкан XX століття: що це за гора Лассен, яку підкорив 85-річний Чак Норріс
24tv
2025-09-23T20:21:07Z
Як зберегти перець соковитим до самої весни: прості секрети господинь
24tv
2025-09-23T20:09:31Z
Красиво, що аж моторошно: три замки України, в яких можна зустріти привидів
24tv
2025-09-23T19:27:05Z
Незвично як для її віку: який улюблений перекус у принцеси Шарлотти
24tv
2025-09-23T19:21:55Z
Крики та стогін під час сексу: коли вони додають жару, а коли лише псують момент
Знай
2025-09-23T18:51:21Z
Будь-який запас зникне до весни: особливий рецепт солоних огірочків
24tv
2025-09-23T18:15:50Z
Місячний календар стрижок на жовтень: у які дні можна йти до перукаря
24tv
2025-09-23T17:21:26Z
Плями з килимів зникнуть за 15 хвилин: який засіб допоможе
GlavRed
2025-09-23T16:27:27Z
Apple закрила шлях назад: "відкотитися" на iOS 18 з iOS 26 більше не можна
InternetUA
2025-09-23T20:36:58Z
Китай розпочав масштабну чистку інтернету: що потрапляє під заборону
InternetUA
2025-09-23T19:51:36Z
В Аргентині виявили новий вид динозавра з кісткою крокодила в пащі
УкраинФорм
2025-09-23T19:27:23Z
Нептун у протистоянні: як побачити і знайти найдальшу планету на небі
24tv
2025-09-23T18:51:27Z
Нова загроза з неба: Росія створила дрон на ШІ, який самостійно шукає і атакує ціль
TSN
2025-09-23T17:48:01Z
Мільйони телевізорів отримають унікальне оновлення від Google, яке зробить їх ще розумнішими
24tv
2025-09-23T17:39:38Z
Експерти пояснили, як правильно носити ноутбук
InternetUA
2025-09-23T17:15:25Z
Народження наднової: поема арабського поета засвідчила появу зірки у 1181 році
Фокус
2025-09-23T17:12:46Z
Вулицями їздять “SMS-бластери”, нова хвиля кібератак
360ua.news
2025-09-23T17:12:44Z
Легендарний воротар збірної Нідерландів завершив кар'єру
Football.ua
2025-09-23T20:54:49Z
В нього велике майбутнє, – Усик назвав нову зірку українського боксу
24tv
2025-09-23T20:39:16Z
Гасперіні розглядає Довбика як варіант на старт у матчі Ліги Європи
Football.ua
2025-09-23T20:12:48Z
Українець віддав асист у матчі проти Челсі в Кубку ліги
Football.ua
2025-09-23T19:42:27Z
Франк: Є хороші шанси на повернення Кулусевські до кінця року
Football.ua
2025-09-23T19:39:18Z
Сини Суркіса, Порошенка та онук російського мафіозі: хто з дітей впливових людей грав у Динамо
24tv
2025-09-23T19:33:37Z
Футзал. Збірна України в товариському поєдинку розгромила Литву
УкраинФорм
2025-09-23T19:15:29Z
Збірна України з тенісу отримала наступного суперника у Кубку Девіса
УкраинФорм
2025-09-23T19:15:27Z
Ванат вийде у старті Жирони проти Атлетіка Більбао
Football.ua
2025-09-23T19:12:43Z