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
Разработчики Detroit: Become Human успокоили игроков — Quantic Dream не закрывают
GameMag
2025-02-25T15:04:19Z
Следы океанов: на Марсе нашли древние пляжи
ZN UA
2025-02-25T14:58:16Z
Google перейдет на QR-коды для аутентификации в Gmail
Корреспондент
2025-02-25T14:39:49Z
Tekken 8 разошлась тиражом в 3 миллиона копий — быстрее Tekken 7
GameMag
2025-02-25T14:39:45Z
Мощная вспышка на Солнце "обесточила" Тихий океан: зафиксировано массовое радиоотключение
Фокус
2025-02-25T14:39:23Z
Прорыв в солнечной энергетике: панели из перовскита показали рекордную эффективность
Фокус
2025-02-25T14:30:30Z
Индонезия снимет запрет на продажу iPhone 16
Корреспондент
2025-02-25T13:21:19Z
Balatro добавили в Game Pass — подписчики могут сыграть в карточный «рогалик» бесплатно
GameMag
2025-02-25T13:13:37Z
В Великих озерах обнаружили крохотные опасные частицы: ученые призывают принять меры
Фокус
2025-02-25T13:12:56Z
Почему ни в коем случае нельзя вечером выносить мусор: 4 веские причины
TSN
2025-02-25T15:06:41Z
Может ли партнер искренне любить двоих и любовь ли это?
Marie Claire
2025-02-25T15:00:55Z
Вы получите любую работу, которую захотите: 5 секретов успешного собеседования, о таком вы не знали
Знай
2025-02-25T14:51:29Z
Испытание для смельчаков: "парящий в небесах" мост поражает воображение туристов
Фокус
2025-02-25T13:57:47Z
Пять лучших рецептов блинчиков на Масленицу
Comments UA
2025-02-25T13:54:08Z
Ароматные яблочные розы: десерт, который покорит не только ваше сердце, рецепт от Эктора
Знай
2025-02-25T13:51:22Z
Пять снов, которые предупреждают человека об опасности в реальной жизни: какие они
TSN
2025-02-25T13:36:54Z
Обязательно положите мыло в саду – и вы не пожалеете: вот зачем это нужно сделать
TSN
2025-02-25T13:21:59Z
Интим – не всегда близость: может ли быть любовь без секса
Знай
2025-02-25T12:51:50Z
Китайское судно задержали при перерезке подводных интернет-кабелей
Comments UA
2025-02-25T14:54:43Z
В Конго вспышка неизвестной болезни унесла жизни 50 человек
Корреспондент
2025-02-25T14:51:06Z
Беспредел ТЦК и полиции в Харькове: что говорят правоохранители
Comments UA
2025-02-25T14:36:39Z
Масштабные пожары на полигоне отходов: в Одесчине объявили подозрение директору предприятия
TSN
2025-02-25T14:33:51Z
В Ровенской области чиновников поймали на взятке в 1,3 млн грн
Comments UA
2025-02-25T14:33:19Z
Отравленое пламя: халатность привела к загрязнению атмосферного воздуха
Comments UA
2025-02-25T13:42:44Z
Украина в огне: по областям чрезвычайная ситуация даже зимой
Comments UA
2025-02-25T13:27:58Z
"Гуманитарная помощь" на продажу: в Черновцах разоблачили мошенническую схему
Comments UA
2025-02-25T13:27:12Z
Известную мошенницу и экс-директора представительства компании FOREX MMCIS group Юту Романченко заметили в Дубай на конференции Sigma
Новости Украины
2025-02-25T12:13:34Z
Сын Виталия Кличко дебютировал в сборной Украины по баскетболу
Фокус
2025-02-25T13:51:41Z
FAST и Favbet Foundation: национальный проект первой помощи для спортивного коммьюнити
Апостроф
2025-02-25T13:48:50Z
Стало известно, сколько матчей пропустит Забарный из-за дисквалификации за красную карточку в АПЛ
TSN
2025-02-25T13:27:34Z
Тренер Милана на грани увольнения - установлены сроки, чтобы исправить ситуацию
Корреспондент
2025-02-25T13:24:59Z
В Турции хотят возбудить уголовное дело против футбольного тренера Моуриньо
ZN UA
2025-02-25T12:52:11Z
Нокаутировал бы любого: Тренер Паркера оценил победу над Баколе
Корреспондент
2025-02-25T12:42:37Z
Галатасарай обвинил Моуринью в расизме и подаст в суд
Корреспондент
2025-02-25T12:03:31Z
План не изменился: Промоутер озвучил главную цель Джошуа
Корреспондент
2025-02-25T11:03:01Z
Энтони Джошуа считает, что Фьюри на пенсии, но еще имеет шансы вернуться в большой бокс
Известия Киев
2025-02-25T08:27:59Z
Враг оккупировал село Запорожье в Донецкой области: как будет действовать дальше — DeepState
TSN
2025-02-25T15:06:14Z
В Херсонской области оккупанты запугивают проукраинское население и устраивают показательные судилища
Апостроф
2025-02-25T14:24:10Z
В результате обстрела Краматорска погиб гражданский
Корреспондент
2025-02-25T14:12:34Z
Синоптики сообщили, каким будет первый месяц весны
Корреспондент
2025-02-25T14:01:04Z
Украину накроют снегопады: где и когда ждать обильных осадков
TSN
2025-02-25T13:51:26Z
В Харькове произошли беспорядки из-за уклониста – полиция применила против толпы газ
Апостроф
2025-02-25T13:42:22Z
Когда воздух в Киеве станет чище: синоптик рассказала
TSN
2025-02-25T13:36:20Z
Бывший премьер Британии Джонсон поел в Киеве сала
Апостроф
2025-02-25T13:33:12Z
Стихийные свалки в Дарницком районе Киева: Госэкоинспекция требует решить проблему до марта
Знай
2025-02-25T13:25:57Z
Klavdia Petrivna перенесла европейский тур из-за простуды
Комсомольская правда
2025-02-25T14:30:01Z
Украинская актриса повредила себе лицо моющим средством перед важными кинопробами
Апостроф
2025-02-25T14:27:55Z
Канье Уэст переодел Бьянку Цензори в медсестру
Фокус
2025-02-25T14:27:19Z
"Все, все покинуть, до тебе полинуть...": история самой большой любви Леси Украинки
Апостроф
2025-02-25T13:51:41Z
Дмитрий Богомазов рассказал, как поставил «Сон летней ночи» с пришельцами: «Шекспир у нас получился очень современный»
Знай
2025-02-25T13:42:26Z
Меган Маркл снова заподозрили в плагиате: при чем тут Памела Андерсон
Фокус
2025-02-25T13:06:02Z
Дженнифер Лопес рассказала о неудачной любви
UAToday
2025-02-25T13:03:42Z
Племянницы леди Ди на фронт-роу и Кафельникова на подиуме: 8 ярких событий Недели моды в Лондоне
Marie Claire
2025-02-25T13:01:40Z
Неописуемая красавица: Геймплей за Анну Уильямс в Tekken 8
GameMag
2025-02-25T13:01:14Z
В прошлом году украинцы усыновили больше всего детей за последние пять лет
Апостроф
2025-02-25T14:54:32Z
Среди кандидатов – африканец и филиппинец: кто может стать следующим Папой Римским
TSN
2025-02-25T14:51:45Z
СМИ пишут о деталях подрыва дамбы под Киевом в первые дни войны: Фокус получил опровержения
Фокус
2025-02-25T14:45:07Z
Некоторые женщины получат помощь в 25-40 тыс. грн: кому заплатят
Фокус
2025-02-25T14:42:36Z
Не блины: какое традиционное блюдо на Масленицу было в Украине до советских времен
Comments UA
2025-02-25T14:42:00Z
Украине хватит оружия до лета без США - СМИ
Корреспондент
2025-02-25T14:33:46Z
Банда из 5 человек украла золотой унитаз с названием "Америка": что с ними стало
Фокус
2025-02-25T14:27:15Z
"Supercam" "Zala" и "Орлан" и не только: в 80 ОДШБр показали, как уничтожают вражеские дроны на Курщине
Апостроф
2025-02-25T14:15:19Z
На вооружение ВСУ будут поставлять высокоскоростные дроны Ведьмак
Корреспондент
2025-02-25T14:15:12Z
Стала известна привычка долгожителей №1: гарантирована ясность ума в старости
Comments UA
2025-02-25T13:36:10Z
Психическое здоровье украинцев под угрозой: почти половина населения страдает из-за войны
TSN
2025-02-25T12:06:20Z
Выживаемость возросла на 83%: ученые назвали продукты, спасающие мозг от деменции
Фокус
2025-02-25T12:00:10Z
Какие продукты нужно обязательно есть людям за 60: защищают от рака, деменции и ломкости костей
TSN
2025-02-25T11:33:34Z
Поспешите к семейному врачу: правила кардинально меняются с 1 марта
Знай
2025-02-25T11:30:38Z
Шелковое полотенце: стоит ли оно своих денег и как влияет на состояние волос
Marie Claire
2025-02-25T11:16:28Z
Срочно уберите эти предметы из кухни: они являются рассадниками плесени и неприятного запаха
TSN
2025-02-25T10:36:27Z
Чем заменить кофе: 5 бодрящих напитков, которые повысят вашу энергию
UAToday
2025-02-25T10:03:10Z
Добавьте к утреннему кофе одну популярную специю — сможете влезть в старые джинсы к лету
TSN
2025-02-25T09:33:37Z
В Украине снизился импорт энергоресурсов
Корреспондент
2025-02-25T15:00:27Z
"Сегодня не работают программы ипотеки для ветеранов. Потому что увольняющийся становится неинтересным". Интервью с представителем Минветеранов
Апостроф
2025-02-25T14:45:08Z
Цена на электричество с 1 марта: украинцев предупредили
Политека
2025-02-25T14:31:28Z
Изменился пенсий возраст и требования для выхода на пенсию: о чем следует знать
Знай
2025-02-25T14:30:22Z
Sony обогнала Mitsubishi и поднялась на второе место в рейтинге самых дорогих японских компаний
GameMag
2025-02-25T14:19:19Z
Польша предоставит Украине больше терминалов Starlink
Корреспондент
2025-02-25T13:46:15Z
В Украине подскочит цена на некоторые продукты: эксперт рассказала, что в зоне риска
Фокус
2025-02-25T13:27:00Z
Названа сумма, которая нужна для послевоенного восстановления Украины - цифра шокирует
TSN
2025-02-25T13:21:14Z
Индексация пенсий: вырастут ли выплаты по инвалидности в марте 2025 года
Фокус
2025-02-25T13:12:54Z
Необычный раритет: на продажу выставили винтажный 70-летний автодом Alfa Romeo
Фокус
2025-02-25T13:45:14Z
Вдвое дешевле Tesla Cybertruck: дебютировал корейский электропикап за $33 500
Фокус
2025-02-25T12:51:56Z
Роскошь из 90-х: обнаружен культовый 35-летний Mercedes W126 в новом состоянии
Фокус
2025-02-25T12:06:37Z
Падение акций Tesla: среди причин – политическая активность Маска
Апостроф
2025-02-25T11:03:15Z
В Украине появится новый флагман Opel: цены и подробности
Фокус
2025-02-25T10:00:07Z
Монстр для бездорожья: известная студия собрала двухместный пикап-спорткар Jeep Wrangler
Знай
2025-02-25T06:51:32Z
Мощный внедорожник от Great Wall станет дешевой альтернативой Mercedes-AMG G63
Фокус
2025-02-24T14:30:36Z
Кардинальные изменения: новый Citroen C5 Aircross показали до премьеры
Фокус
2025-02-24T11:06:02Z
Для серьезного бездорожья: кроссовер Lamborghini Urus получил внедорожную версию
Фокус
2025-02-24T09:21:43Z
Дело об убытках на 641 млн грн: экс-замглавы ГФС Билану вручили подозрение
Апостроф
2025-02-25T15:06:57Z
Тарологиня о марте 2025 года: важный визит, переломный момент и неопределенность в войне
TSN
2025-02-25T15:06:47Z
План Кремля трещит по всем швам: в Госдуме избрали простой путь спасения
Comments UA
2025-02-25T15:06:06Z
Списание 641 млн грн: бывший замглавы ГФС в центре громкого скандала
Comments UA
2025-02-25T15:03:25Z
Зеленский пообщался с новым премьером Бельгии
Европейская правда
2025-02-25T15:03:13Z
США могут отключить Starlink: что произойдет со связью ВСУ и чем ее заменить
Фокус
2025-02-25T15:00:49Z
ВСУ выразили категорический протест против политики Трампа: на какой радикальный шаг пошли
Comments UA
2025-02-25T15:00:45Z
В США раскрыли, как будут усложнять жизнь «плохому Владу»
Comments UA
2025-02-25T14:57:58Z
Две резолюции ООН: США больше не союзник Украины, а посредник со своим интересом
Комсомольская правда
2025-02-25T14:52:30Z