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
10 самых красивых мужчин мира по версии пластических хирургов
Marie Claire
2024-10-19T11:00:38Z
Неодетая мать отец-алкаш: в сети появились фото сватов Королевой и Тарзана
GlavRed
2024-10-11T16:37:40Z
Где сейчас и чем занимается во время войны "Тамбовский волк" из "Квартала" Валерий Жидков/Что известно о творческой и личной жизни юмориста
Апостроф
2024-10-10T10:48:12Z
Аль Пачино пережил клиническую смерть: он рассказал, что видел по ту сторону
Comments UA
2024-10-07T10:51:49Z
Блогер-миллионница рассказала за что ее заблокировала Светлана Лобода
Фокус
2024-10-20T05:21:56Z
20 минут до паралича: Netflix показал новый трейлер фильма "Замри"
GameMag
2024-10-20T01:04:32Z
"Я еще жив": Иван Дорн, который выехал из Украины, решил напомнить о себе/Певец вышел на связь в день своего 36-летия
Апостроф
2024-10-17T11:57:42Z
"Каза! Хоть бы сказала" Даша Астафьева набросилась на "почти замужнюю" Лесю Никитюк/Украинские звезды бурно отреагировали на романтические отношения телеведущей
Апостроф
2024-10-07T16:00:28Z
"Мой ангел": девушка Лиама Пейна эмоционально прокомментировала его смерть
Фокус
2024-10-19T15:29:00Z
Путин сделал заявление о "мирном завершении" войны в Украине
TSN
2024-10-18T18:39:28Z
Скандал вокруг смерти комбата Игоря Гриба: выяснились жуткие подробности
Апостроф
2024-10-06T14:06:33Z
Путин будет в шоке: такого он от своих военных точно не ожидал
Comments UA
2024-10-13T06:03:26Z
"Об этом все помалкивают", - Жданов – о тревожном звоночке, от которого зависит дальнейший ход войны
Новости Украины
2024-10-14T20:18:23Z
По Киеву россияне выпустили десяток дронов, а Харьков атаковали гибридной ракетой-бомбой
Комсомольская правда
2024-10-20T05:40:28Z
Украина однозначно будет приглашена в НАТО в границах 1991 года, - Стефанишина
Известия Киев
2024-10-20T05:31:06Z
Венгрия озвучила, почему боится членства Украины в НАТО
Comments UA
2024-10-09T18:39:21Z
В Сухопутных войсках ВСУ объяснили, почему Ляшко стал комбатом
Комсомольская правда
2024-10-15T12:27:03Z
Le Monde узнало о готовности США пригласить Украину в НАТО
Апостроф
2024-10-19T19:51:20Z
Буданов вместе с генералами-ветеранами армии США оценил участие КНДР в войне против Украины
Апостроф
2024-10-19T15:15:08Z
"Только чудо может спасти": генерал предсказывает катастрофу на фронте
Comments UA
2024-10-08T21:18:32Z
Украинка пыталась сделать клизму 6-месячной крошке термометром, хирурги не поверили своим глазам
Знай
2024-10-11T20:30:09Z
Почему провалилась украинская оборона на Курщине: главные причины
Comments UA
2024-10-11T18:24:19Z
Дети отказываются есть: родители бьют тревогу из-за качества школьного питания
Знай
2024-10-20T05:36:42Z
Снижение мобилизационного возраста до 18 лет: военный жестко объяснил инициативу
Знай
2024-10-20T05:21:30Z
Украинцев начнут вызывать в суд: будут выбирать вслепую, за неявку – непосильные штрафы
Знай
2024-10-09T18:21:37Z
Как вернуть украинцев в Украину
ZN UA
2024-10-19T14:02:32Z
Король Чарльз ІІІ приостановит лечение рака: в чем причина
Фокус
2024-10-08T10:27:13Z
Два месяца боев в Курской области: подсчитаны потери Украины и России
Comments UA
2024-10-06T12:00:10Z
Россияне массово сдаются в плен: военный назвал причину
Comments UA
2024-10-15T12:27:57Z
"Это караул", — предатель Царев подсчитал, сколько времени понадобится армии РФ на захват Донбасса. ВИДЕО
Новости Украины
2024-10-09T18:54:17Z
Солнца не ждать? Синоптики дали прогноз на новую рабочую неделю в Украине
UAToday
2024-10-06T20:30:20Z
Оккупанты отвоевали позиции в Курской области: на границе действуют чеченцы
Comments UA
2024-10-20T05:33:12Z
Операция на Курщине принуждает Россию к обмену пленными - ISW
Корреспондент
2024-10-20T05:24:58Z
Работал на врага: в Николаеве задержан информатор, который наводил ракеты на город
Comments UA
2024-10-15T12:40:21Z
Синегубов: На Купянском направлении расширяется зона активных боевых действий
ZN UA
2024-10-17T21:31:57Z
"Все в русском стиле": в ВСУ рассказали, как ВС РФ брали и не взяли Каменское на Запорожье
Фокус
2024-10-08T18:45:52Z
Пенсионерам старше 70 лет увеличат выплаты: условия и суммы
Знай
2024-10-06T13:36:26Z
Минус 30 грн в чеке: супермаркеты резко снизили цены на селедку, скумбрию и карпа
Знай
2024-10-11T20:12:50Z
Такого дна в РФ еще не было: с чем смирились российские власти
Comments UA
2024-10-15T12:26:05Z
Цены заоблачные: почему зимой картофель подорожает до 55 грн за килограмм
Comments UA
2024-10-08T16:27:57Z
Украинцам разрешили получить новый тариф на свет: с такой ценой платежки сократятся на 50%
Знай
2024-10-20T04:36:22Z
ПриватБанк срывает украинцам покупку ОВГЗ: в чем дело
Хвиля
2024-10-20T03:30:05Z
Владелец Каховской ГЭС отказался от иска к России: в "Укргидроэнерго" объяснили причину
Фокус
2024-10-15T18:27:28Z
Украинцев готовят к повышению тарифов: нардепы заговоры о новых суммах в платежках за свет
Политека
2024-10-17T18:04:21Z
Украинцам объяснили, почему банки взимают до 30% за закрытие счетов
Знай
2024-10-13T18:06:44Z
Сезон простуд: 7 напитков, которые повысят иммунитет этой осенью
Фокус
2024-10-15T12:30:49Z
Что вызывает "мушки" перед глазами: возрастные изменения или серьезная опасность
Знай
2024-10-13T17:21:25Z
В каком возрасте стоит бросить курить: отказ от вредной привычки поможет прожить намного дольше
Фокус
2024-10-10T12:57:30Z
Медики бьют тревогу из-за детей: на что обратить внимание
Знай
2024-10-10T20:51:32Z
Угроза набирает обороты: вирус Оропуш проявил новую опасную мутацию, попав в новые страны
Фокус
2024-10-20T04:00:29Z
Доктор Комаровский рассказал, опасно ли сидеть на холодном: на что следует обратить внимание
Политека
2024-10-19T19:36:48Z
«Делайте это каждый день»: врач выбрал лучшее упражнение, которое продлевает жизнь
Marie Claire
2024-10-12T03:00:53Z
Хотите быть стильной, но гробите себя: вещи, которые приведут к аллергии, воспалениям и даже к смещению органов
Знай
2024-10-19T18:51:32Z
Польза перевесила недостатки: популярный напиток подтвердил свою пользу для сердца
Фокус
2024-10-19T17:36:50Z
Украинского военного поймали на "горячем": теперь ему грозит тюрьма
Политека
2024-10-15T18:03:11Z
В Карпатах медведь растерзал мужчину во время попытки пересечь границу
Comments UA
2024-10-17T10:54:48Z
В Хмельницкой области раздаются взрывы
TSN
2024-10-19T09:33:48Z
Под Киевом произошел взрыв в многоэтажке
Корреспондент
2024-10-10T11:48:33Z
СМИ: В РФ дроны атаковали завод взрывчатых веществ
Корреспондент
2024-10-20T05:27:56Z
В Запорожье произошла драка с сотрудниками ТЦК, военные открыли огонь
Комсомольская правда
2024-10-20T05:01:20Z
В Сумах произошли взрывы
TSN
2024-10-06T20:21:01Z
Под Кривым Рогом произошло землетрясение магнитудой 3,3 балла: подробности
Фокус
2024-10-08T22:06:27Z
Дрон атаковал военное училище в Москве: подробности с ВИДЕО
Новости Украины
2024-10-06T14:13:58Z
Удивительно свежий и вкусный: рецепт восточного салата из красной капусты
Фокус
2024-10-10T19:21:56Z
Вяленые томаты в духовке: простой рецепт от звезды "Мастер Шеф"
Политека
2024-10-17T04:01:57Z
Как правильно хранить чеснок на зиму, чтобы он остался свежим: полезные советы
Политека
2024-10-12T14:42:11Z
Любовный гороскоп для всех знаков Зодиака на неделю с 7 по 13 октября 2024 года
Фокус
2024-10-06T19:15:34Z
У них просто тонны терпения: 4 знака Зодиака, которые не ведутся на импульсы
Знай
2024-10-20T04:51:02Z
Халву можно и в десерт добавить: рецепт пирога с восточной сладостью и грушами
Знай
2024-10-20T03:51:36Z
Рецепт вкуснейшего паштета из фасоли от звезды "Мастер Шеф": это прекрасная закуска
Политека
2024-10-20T03:03:49Z
Нежные бендерики с мясом: идеальный рецепт для семейного ужина
Политека
2024-10-19T23:00:09Z
Когда и как лучше обрезать плодовые деревья в октябре: советы садоводов
Политека
2024-10-19T22:00:08Z
Зона вас поглотит: журналисты в восторге от украинской S.T.A.L.K.E.R. 2
Фокус
2024-10-18T18:42:06Z
Интернет по новым тарифам: когда и насколько подорожают услуги
Знай
2024-10-18T19:03:12Z
Иран нашел способ заставить Кремль расплатиться за поддержку в войне против Украины
Новости Украины
2024-10-13T05:57:07Z
Проще не стало: ученые узнали первичное происхождение японцев, однако есть нюанс
Фокус
2024-10-15T12:42:34Z
Буддизм покоряет мир: Новый трейлер Sid Meier's Civilization VII
GameMag
2024-10-20T01:15:31Z
Squadron 42 с Генри Кавиллом выйдет в 2026 году — на прохождение игры во вселенной Star Citizen уйдёт 30-40 часов
GameMag
2024-10-19T19:58:34Z
SpaceX вывела на орбиту 43 интернет-спутника Starlink
Корреспондент
2024-10-15T12:33:25Z
Официально: Роскомнадзор приступил к блокировке Discord в России
GameMag
2024-10-08T19:46:10Z
"Погружает с первых минут": Ремейк Silent Hill 2 получает восторженные отзывы от первых покупателей, рейтинг в Steam — 95%
GameMag
2024-10-06T19:58:38Z
Кличко "культурно послал" за вопрос о бывшей невесте: что не так с Панеттьери
Новости Украины
2024-10-15T16:54:02Z
Звезду мирового футбола Мбаппе обвинили в изнасиловании – СМИ
ZN UA
2024-10-15T18:21:15Z
"Челси" может подписать еще одного украинца из "Шахтера" за крупную сумму – СМИ
ZN UA
2024-10-19T21:40:42Z
"Арсенал" без Зинченко в меньшинстве сенсационно проиграл "Борнмуту" с Забарным в АПЛ
TSN
2024-10-19T19:51:14Z
Клуб с украинцем в составе нанес лондонскому "Арсеналу" первое поражение за полгода
ZN UA
2024-10-19T19:43:06Z
Баварія – Штутгарт 4:0 Відео голів та огляд матчу Бундесліги
Football.ua
2024-10-19T19:19:03Z
Баварія з хет-триком Кейна розгромила Штутгарт
Football.ua
2024-10-19T18:31:04Z
Манчестер Юнайтед здобув вольову перемогу над Брентфордом
Football.ua
2024-10-19T16:03:32Z
"Арсенал" – "Шахтер": букмекеры оценили шансы дончан в матче Лиги чемпионов
ZN UA
2024-10-19T11:22:34Z
Первый электромобиль Cadillac Escalade подорожал в 4 раза за считанные минуты
Фокус
2024-10-15T09:57:54Z
От заправки до безопасности: 7 лайфхаков для начинающих водителей от автошколы
Хвиля
2024-10-20T00:00:52Z
Мажоры начнут "экономить": рассекречены параметры электрического Range Rover Sport, есть даже фото
Знай
2024-10-19T17:51:42Z
Перерегистрация авто с ГБО: украинцам грозят штрафы
Знай
2024-10-19T15:51:55Z
Элитные авто на улицах Киева: от "Бентли" до "Феррари"
Комсомольская правда
2024-10-19T10:04:26Z
В интернете показали неизвестного конкурента Suzuki Jimny от Jeep
Фокус
2024-10-18T15:36:05Z
Mazda презентовала оригинальный рамный пикап в стиле CX-5
Фокус
2024-10-18T11:06:00Z
Самые популярные подержанные автомобили из США: что выбирают украинцы
Comments UA
2024-10-18T08:18:34Z
Horten Ho-229: как передовой немецкий самолет опередил B-2 Spirit на 44 года
Фокус
2024-10-17T15:43:44Z