Будущее приближается шаг за шагом.
Квантовые компьютеры стали одним из многих модных словечек в современном мире технологий, наряду с такими терминами, как искусственный интеллект или технология блокчейн. Тем не менее, квантовые компьютеры действительно начинают приносить плоды как решение бесчисленных проблем реального мира. Исследователи по всему миру стремятся к квантовому превосходству — демонстрации того, что программируемое квантовое устройство может решить проблему, которую не может решить ни один классический компьютер за любое возможное время. Microsoft, IBM, Amazon, Google и другие вкладывают ресурсы в этот новый рубеж.
Краткое объяснение квантовых компьютеров
Детальное объяснение того, как работают квантовые компьютеры, выходит за рамки этой статьи, но я дам базовое объяснение. Напомним, что классические компьютеры имеют микросхему схемы, которая разбита на несколько модулей. Эти модули состоят из логических вентилей, а логические вентили состоят из отдельных транзисторов, которые представляют собой не что иное, как электрический выключатель. Транзисторы блокируют или пропускают информацию через цепь, эта информация часто обозначается как 0 и 1 для представления битов. Современные компьютеры приближаются к узким местам в вычислениях, их транзисторы приближаются к размеру одного атома.
Вместо представления информации битами квантовые компьютеры используют кубиты (квантовые биты), в которых используются преимущества квантовой механики. Большая разница между битами и кубитами заключается в том, что биты детерминированы, тогда как кубиты связаны с вероятностями состояния. Таким образом, кубит остается в «суперпозиции», в которой он может быть 0 или 1 одновременно, пока он не будет каким-то образом измерен. Но как только вы измеряете кубит, он должен «решить», находиться ли ему в состоянии 0 или 1.
Это позволяет квантовым компьютерам решать задачи совершенно иначе, чем классическим компьютерам. Если обычному компьютеру приходится искать во многих состояниях, он должен просматривать эти состояния одно за другим, чтобы найти ответ. Для квантового компьютера он может представлять множество состояний одновременно. Ответ содержится в суперпозиции его кубитов — нужно просто извлечь этот ответ. Всего 20 кубитов могут хранить 2²⁰ состояний, то есть одновременно хранится более миллиона различных значений!
Кубиты также обладают свойством, называемым запутанностью, при котором один кубит может запутаться с другим так, что они оба будут находиться в одном и том же состоянии — независимо от расстояния. По сути, классический компьютер работает, переключая состояния транзисторов, тогда как квантовый компьютер берет входной кубит в суперпозиции и манипулирует его вероятностными свойствами, прежде чем выдать другой кубит, все еще находящийся в состоянии суперпозиции. Конечно, здесь происходит гораздо больше, но это основные идеи. Решение вычислительных задач с помощью квантовой механики открывает совершенно новый мир возможностей. Вот некоторые из областей, которые созрели для изменений.
Отрасли, готовые к переменам
Здравоохранение, базы данных и поиск
При поиске в неупорядоченной информации классический компьютер в худшем случае должен перебирать каждый элемент. В среднем поиск в несортированном списке составляет O(N/2)=O(N) временной сложности. Квантовый компьютер решает проблему по-другому, он может представлять множество значений в базе данных или перечислять с помощью суперпозиции. Ответ содержится в этом состоянии суперпозиции, поэтому с помощью квантовой механики этот ответ можно найти в среднем за O(√N), что резко увеличивает производительность.
Это означает, что поиск информации в целом может быть значительно улучшен. Большая часть данных в секторе здравоохранения дико беспорядочна и даже не поддается сортировке. Квантовый поиск может помочь сократить расходы на здравоохранение и взаимодействовать с данными способами, которые ранее были недоступны. С более высокой точки зрения, любая проблемная область, которая включает в себя большие объемы несортируемых данных, может увидеть огромные преимущества квантового поиска.
Химия
Продолжая тему здравоохранения, моделирование химических реакций с помощью классических компьютеров в значительной степени основано на приближениях. Даже самые мощные компьютеры не могут подражать квантовой природе физики элементарных частиц. Вместо того, чтобы пытаться имитировать реакции на квантовом уровне, квантовый компьютер оперирует самими законами этой реакции. И система, и эксперимент разыгрываются с использованием квантовой механики, что устраняет необходимость в приближении.
«Природа не классическая, черт возьми, и если вы хотите создать симуляцию природы, вам лучше сделать ее квантово-механической». — Ричард Фейнман
Возможность моделировать химические реакции с большей точностью с помощью квантовых компьютеров имеет широкий спектр применений. Лекарства, спасающие жизнь, потенциально могут быть изобретены или снижены в цене. Пластмассы могут состоять из соединений, которые легче перерабатывать. Создание новых форм реактивного топлива или цемента для уменьшения углеродного следа — все это новые возможности, если квантовый компьютер покажет себя многообещающим в промышленности. Google уже симулировал химические реакции с использованием 12 кубитов, чтобы связать энергию водородных цепей и механизм изомеризации диазена (если вы химик, возможно, вы можете прокомментировать ниже, что это значит).
Предполагается, что квантовые компьютеры не заменят полностью классические компьютеры. Скорее, части симуляции, наиболее подверженные ошибкам для обычного компьютера, будут дополнены квантовым компьютером для достижения точности, которая когда-то была недостижима.
Безопасность и криптография
Это одно из наиболее известных применений квантовых компьютеров. Существует большая обеспокоенность тем, что квантовое превосходство приведет к тому, что многие современные криптографические протоколы устареют. Алгоритм RSA (Rivest-Shamir-Adleman) используется современными компьютерами для шифрования и расшифровки сообщений. Он основан на том факте, что умножение — это улица с односторонним движением в сложности вычислений.
Например, просто умножить 593 на 829, чтобы получить 491 597. Однако чрезвычайно сложно работать в обратном направлении и выяснить, какие два простых числа дают 491 597. Настолько, что компьютерщики полагаются на 2048-битное шифрование RSA. Сила шифрования RSA заключается в том, что классическим компьютерам потребуется очень много времени (более десятилетий), чтобы взломать простые числа, которые использует RSA.
Теперь этой силе угрожает квантовое превосходство. Крейг Гидни из Google и Мартин Экера из KTH продемонстрировали, что квантовая система может взломать 2048-битное шифрование RSA всего за 20 миллионов кубитов, а не 1 миллиард кубитов, как предполагалось ранее, всего за восемь часов.
В то время как стандартные протоколы шифрования находятся под угрозой, разрабатываются новые алгоритмы квантового шифрования. Quantum Key Distribution (QKD) — многообещающая защита от новых вычислительных мощностей квантовых компьютеров. Вместо того, чтобы полагаться на сложность обращения умножения простых чисел, КРК использует саму квантовую механику.
Упрощая процесс, предположим, что у вас есть две стороны, Боб и Джейн, которые пытаются поговорить друг с другом, не позволяя третьей стороне Еве подслушать. Процесс измерения влияет на кубиты. Если вы измерите кубиты хотя бы немного другим способом, вы измените их вероятностные свойства и состояние. Поэтому, если Ева точно не знает, как Боб и Джейн измеряют информацию, отправляемую в виде кубитов, она изменит их состояние, и Боб и Джейн узнают, что кто-то подслушивает их разговор. Алгоритм BB84 описывает это более подробно.
Финансы
Моделирование финансовых данных печально известно тем, что оно ближе к догадкам, чем к действительно разумным прогнозам. Квантовые компьютеры могут помочь в прогнозировании рынка благодаря их скорости поиска данных, а также способности моделировать сложные задачи оптимизации. Их также можно использовать для более эффективного моделирования рисков портфеля на примере моделирования методом Монте-Карло, опубликованного IBM.
Финансовые учреждения видят перспективы квантовых компьютеров и начинают инвестировать в них сами. Goldman Sachs, Citigroup и Commonwealth Bank of Australia начали инвестировать в стартапы в области квантовых вычислений.
Как показывает тенденция, многие усилия начинают приносить обнадеживающие результаты. Королевский банк Шотландии (RBS) смог сократить время, затрачиваемое на оценку суммы денег, необходимой для возмещения безнадежных кредитов, с недель до секунд, используя квантовые алгоритмы, разработанные компанией 1QBit. Разговор с The Sunday Times можно найти здесь.
И многое, многое другое…
Научное сообщество только начинает видеть переломный момент в возможностях квантовых вычислений. Существует еще бесчисленное множество других приложений, которые могут иметь квантовые компьютеры. Квантовый компьютер теоретически может победить сеть Биткойн с помощью мощной атаки 51%. Искусственный интеллект может быть объединен с квантовыми компьютерами для манипулирования еще большими объемами данных с помощью более сложных моделей. Даже моделирование сложной логистики цепочки поставок или разработка нового экологически чистого удобрения для сельского хозяйства осуществимы, если квантовые компьютеры получат достаточное распространение.
Многие крупнейшие мировые технологические компании стремятся достичь квантового превосходства, которое откроет неизвестное количество решений некоторых из самых сложных проблем в мире. По мере того, как лабораторные эксперименты превращаются в стартапы, привлекающие финансирование от крупнейших правительств и организаций мира, можно только гадать, что будет дальше. Одно можно сказать наверняка: ближайшие десятилетия будут невероятно захватывающими, поскольку мы продолжаем использовать наше понимание Вселенной для построения лучшего мира.
Надеюсь, вам понравилась эта статья. Если вы нашли интересный раздел или у вас есть какие-либо вопросы, пожалуйста, оставьте комментарий ниже, и я обязательно свяжусь с вами. Я также был бы очень признателен за вашу поддержку моего письма, подписавшись на Medium, используя мою реферальную ссылку ниже. Спасибо за прочтение!
