Меня зовут Андрей Тотмаков, я технический директор Platforma. И сегодня я хочу рассказать о крайне странном устройстве, которое выходит за рамки понимания обычного человека. Да, я говорю о квантовом компьютере. Постараюсь объяснить простым языком, как он работает сейчас и для решения каких задач его можно будет использовать в будущем. Поехали! Квантовый компьютер: что ты такое? Заметил одну интересную штуку. Очень многие люди, даже далекие от физики или программирования, слышали о квантовом компьютере. Часть представляет его похожим на обычный транзисторный аппарат. Разве что размерами побольше — как крупный серверный шкаф или один из распиаренных суперкомпьютеров. Часть, наоборот, видят его супер маленьким. Еще популярно мнение, что квантовый компьютер отличается от обычного только скоростью вычислений.
Но как он работает и для чего нужен — ответить не могут. Некоторые считают, что на такой машине было бы хорошо сыграть в какую-нибудь игру на ультра настройках графики. Вот только не получится. В квантовых компьютерах не просто другая логика вычислений — она вообще находится в другом измерении.
Внешний вид квантового компьютера — об этом стоит поговорить отдельно. Если вы вдруг еще не знаете, то вот он:
Да, это не люстра, а компьютер. Вернее, только его часть. Ведь кроме вычислительной части, о которой мы еще поговорим, нужна еще большая и сложная махина для охлаждения. Потому что работает он при температуре 20 мК.
20 милликельвин. Всего на 0,02 градуса выше абсолютного нуля, который равен -273,15 градусов по Цельсию.
При температурах близких к абсолютному нулю классическая физика ломается и становится похожей на чудеса.
Если без сложных формул и объяснений, то при сверхнизких температурах достаточно большое число бозонов вещества оказывается в минимально возможных квантовых состояниях. Из-за чего эффекты квантовой физики проявляются на макроскопическом уровне. Да так проявляются, что их можно использовать в вычислениях.
Сейчас ведется разработка квантовых компьютеров, которые не зависят от температуры и используют фотоны. Но до работающих агрегатов еще очень далеко, поэтому оперируем тем, что есть.
Что «под капотом» квантового компьютера: квантовая суперпозиция
Начнем с основы основ. Обычный компьютер оперирует битами — наименьшей частицей информации, у которой есть два значения: 0 и 1. Других вариантов нет. Собственно, любое вычисление на обычном компьютере — это тонны нулей и единиц.
К примеру, у процессора Intel Core i7 2700 производительность на уровне 124,8 гигафлопс — это 128,4 млрд операций с плавающей точкой в секунду.
У квантовых компьютеров другая минимальная единица информации — кубит. И чтобы в полной мере понять, как он работает, нужно хотя бы примерно понимать принципы квантовой суперпозиции.
Есть классический пример с котом Шредингера. Уверен, вы и так знаете, о чем он. Но на всякий случай, повторю:
Допустим, у нас есть закрытый сейф. Внутри него сидит обычный кот и адская машина, защищенная от него.
Принцип адской машины примерно следующий: внутри находится очень малое количество радиоактивных атомов. И вероятность, что за час распадется хотя бы один из них, равна вероятности, что не распадется ни одного. То есть, 50 на 50.
Вокруг радиоактивного вещества находится чувствительный к электронам экран. Если хотя бы один атом распадется, он приведет в действие механизм, который выпустит ядовитый газ, и кот умрет.
Наблюдателю невозможно точно предсказать, жив кот или нет. Для этого нужно открыть сейф и посмотреть. А когда он закрыт, кот находится в суперпозиции — он одновременно жив и мертв.
Этот мысленный эксперимент примерно объясняет, как работает квантовая суперпозиция, которая играет ключевую роль в функциях кубита.
Квант может принимать значение 0 или 1, но при этом быть между нулем и единицей, находясь в суперпозиции. Не четко определенное значение, а вероятность получить одно из этих состояний.
Постараюсь объяснить еще проще. 3 бита информации могут дать одну из восьми комбинаций нулей и единиц: 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111. Только одну. 3 кубита оперируют сразу восемью возможными комбинациями, вычисляя вероятности, а не четкие значения.
Причем с каждым кубитом отрыв по вычислительной мощности от обычного процессора увеличивается в геометрической прогрессии. 10 кубитов могут одновременно оперировать 1024 комбинациями, а 30 — уже больше 1 млрд.
Сам кубит принято визуализировать в виде сферы Блоха:
Любая точка на сфере показывает амплитуду вероятностей кубита. Вот и получается, что кубит получает значение 0 или 1 только в момент измерения. Но вне измерения он оперирует вероятностями, что меняет саму базовую логику вычисления.
Из-за сложности в кодировании данных и принципиально другой логики совсем необязательно, что компьютер с 30 кубитами будет в миллиард раз мощнее, чем обычный.
Да и языки программирования для квантовых компьютеров хоть и активно разрабатываются, но сейчас вся логика квантового программирования находится, на уровне если не машинного кода, то ассемблера, если сравнивать с обычными компьютерами.
Хоть разные команды уже лет 10 наперебой заявляют о достижении квантового превосходства, но по факту до этого еще далеко. Есть отдельные успехи, но работы еще ой как много.
Квантовое превосходство — способность квантового компьютера решать проблемы принципиально нерешаемые для обычной машины или требующее огромное количество времени в тысячах или миллионах лет работы.
Не исключено, что реальное квантовое превосходство мы увидим еще на собственном веку. От построения Z3, первой ЭВМ, обладающей свойствами современного компьютера, до создания Apple I, первого персонального компьютера, прошло всего 36 лет. А с учетом, что работа над квантовыми компьютерами ведется уже без малого 20 лет, то осталось совсем недолго.
Зачем нам квантовый компьютер, если в «Cyberpunk» на нем не поиграть?
Да, под квантовый компьютер придется разрабатывать весь нужный софт с нуля, потому что логика вычислений отличается от обычных компьютеров как морская звезда на пляже и Сириус на небе. Но для квантового компьютера уже есть целый ряд перспективных сфер, где его можно будет использовать. О них и поговорим.
Молекулярная биология и генетика
Органическая или неорганическая химия хоть и определенно сложная, но вполне детерминирована. И, если мы достаточно точно можем предсказать, какое вещество получим от реакции двух других, то в биологии все сложнее. Ведь даже когда одна клетка делится на две, то они не будут полностью идентичны друг другу — минимальные различия будут всегда. Также как дети-близнецы хоть и похожи, но немного отличаются.
С помощью квантового компьютера можно будет вычислять, как модификация отдельного гена повлияет на клетку и организм в целом. Еще он поможет моделировать вирусы для создания вакцин и лекарственных препаратов — после коронавируса эта сфера еще долго будет в топовых приоритетах исследователей. Механизмы раковых заболеваний, генетических нарушений, селекция растений и животных — все это задачи крайне сложные и ресурсоемкие для моделирования даже на суперкомпьютерах.
Как ожидают некоторые исследователи, квантовые компьютеры откроют кардинально новые горизонты в медицине. Примерно такие, как обнаружение пенициллина в 1929 году, после которого медицина получила возможность лечить болезни и воспаления, которые ранее считали смертельными.
Нейробиология и истинный ИИ
Об этом отдельно. Потому что современная наука знает о работе мозга лишь немного больше, чем ничего. Ученые примерно понимают, как работают нейронные сети в комплексе — и использование сильно упрощенных моделей нейронов помогает разработчикам обучать ИИ. Но нет никаких общепринятых гипотез, как физически работает нейрон в мозге. Возможно, они также действуют вероятностно — то есть, одна и та же входящая информация может дать разные результаты на выходе.
Если понять принципы работы нейрона и суметь их воспроизвести в искусственной системе, это откроет разработку сильного ИИ, который не имитирует мышление, а действительно умеет думать и принимать решения. Для современных компьютеров эта задача в принципе нерешаема. Но квантовый компьютер может с ней справиться. Опять же, это теория — а как будет на самом деле, кто его знает.
Новый уровень криптографии
Квантовый компьютер сможет одновременно упростить и усложнить кодирование информации. Хороший 18-значный пароль с большими буквами, символами и цифрами даже суперкомпьютер будет взламывать 100 000 лет, а квантовый — пару минут. И это значит, что в будущем нам придется либо запоминать 100-значные пароли, либо создавать принципиально новую систему кодирования и защиты информации. При этом квантовые компьютеры выведут вероятностное шифрование на недостижимый уровень. Взломать шифр квантового компьютера даже теоретически будет нереально.
Анализ и структурирование информации
Согласно данным аналитиков, к 2025 году общий «вес» интернета составит свыше 200 зеттабайт (200 млрд терабайт). Но при этом из них структурировано не больше 10%. Остальные же находятся в хаосе. Структуризация данных в интернете — это нерешаемая задача для существующих компьютеров. Просто потому, что данных слишком много, и они множатся быстрее, чем теоретические возможности их обработки. Но иные принципы работы с информацией делают решение задачи теоретически реальным для квантового компьютера. И не просто структурировать, а найти закономерности и строить прогнозы на основе полученных данных. А это уже мощный буст для практически всех сфер научных исследований: от персонализированного маркетинга и бизнес-процессов до климатических исследований и морской биологии.
Анализ социальной динамики
Социальная сфера слабо предсказуема, потому что в ней слишком много переменных, которые влияют друг на друга. Исследователи говорят, что процессы, протекающие в социальных системах (настроения общества, распространение идей и мнений и прочие) имеют общие черты с биологическими процессами распространения вирусов. Гипотезу впервые предложил Ричард Докинз в книге «Эгоистичный ген», но доказать ее с помощью существующих технологий крайне проблематично — слишком многое зависит от вероятностей. Современные компьютеры позволяют лишь примерно прогнозировать развитие социальные факторов. Но вероятностная система квантовых компьютеров сможет на порядки увеличить точность социальной аналитики: от влияния и результативности рекламных кампаний на продажи до прогнозирования результатов выборов.
__________________
Всего 30 лет назад квантовый компьютер считали теоретической концепцией, которую вряд ли можно было проверить в обозримом будущем.
Но крупные IT-компании уже сейчас активно и успешно ведут разработку. IBM, Google, Toshiba — уже больше сотни работающих вариантов по всему миру. И хоть говорить о реальном квантовом превосходстве еще рано, квантовый компьютер по праву считают одной из самых перспективных технологий, которая вполне способна полностью изменить наше представление о будущем.
Кто знает, может когда-нибудь и игры для квантовых компьютеров будут писать. Будем лежать в VR-капсуле и наслаждаться реалистичной графикой какого-нибудь фэнтези мира.
И я убежден, что пик развития квантовых компьютеров мы увидим уже на своем веку, через 20-30 лет. Посмотрим, оправдаются ли наши ожидания. Мне очень интересно. А вам?
Автор: Андрей Тотмаков
Источник: https://habr.com/
