Если вы хотите описать квантовый компьютер и его возможности, иногда он звучит так, как если бы вы описывали магию - потому что в квантовой области наше понимание физики больше не применимо. Чтобы понять квантовые компьютеры, по крайней мере, в начале, нужно сначала взглянуть на классические компьютеры: компьютер основан на мельчайших электронных схемах, которые, в свою очередь, встроены в микросхемы, так называемые интегральные схемы (ИС), которые содержат активные и пассивные компоненты, кабели и транзисторы - крошечные электронные переключатели и самый маленький функциональный блок в компьютере.
Почему транзисторы не могут стать меньше
Транзистор работает как коммутатор: он использует потенциалы напряжения для представления состояния - 0 или 1, наименьшая двоичная единица в компьютере, так называемый бит. Транзисторы связаны друг с другом для создания логических элементов. Связанные вместе, эти логические элементы могут выполнять самые простые арифметические операции и операции хранения. Этих простых схем достаточно для выполнения очень сложных приложений, которые могут достигнуть современные компьютеры.
Для достижения большей производительности компьютерные технологии миниатюризировались десятилетиями. Сегодня транзисторы невероятно малы - всего 10 нанометров - 18 миллиардов транзисторов умещаются на кристалле размером от двух до двух сантиметров.
Но теперь физический предел в миниатюризации достигнут. С одной стороны, современные методы производства с использованием ультрафиолетового света более не являются достаточными для изготовления даже более мелких транзисторов. А с другой стороны, транзисторы размером всего несколько атомов имеют странные физические условия, которые, по нашему мнению, не должны быть возможными: хотя физический барьер в транзисторе может препятствовать продвижению электронов, они делают это в этом небольшом масштабе. пройти барьер. Этот туннельный эффект также называется квантово-механическим эффектом и предотвращает дальнейшее миниатюризацию классических компьютеров.
Но исследователи хотят использовать этот эффект для разработки так называемых квантовых компьютеров.
Как работает квантовый компьютер?
В квантовых компьютерах наименьшая единица информации - это не бит, а квантовый бит или, кратко, кубит. Классический бит имеет четко определенные состояния 1 или 0. Кубит также знает состояния 1 и 0, но в отличие от обычного бита, у кубита есть оба состояния одновременно, поэтому он не ограничен одним состоянием. Это свойство называется суперпозицией.
И здесь это становится захватывающим: состояние суперпозиции сохраняется только до тех пор, пока кубит не наблюдается. Однако в момент определения состояния кубитов оно принимает четко определенное состояние - 1 или 0 - с определенной вероятностью.
Вычислительная мощность квантовых компьютеров также очевидна: в классическом компьютере четыре различных комбинации (00, 11, 10, 01) могут быть представлены одним битом, из которого можно выбирать, но с кубитом все четыре комбинации могут использоваться одновременно становиться. Кроме того, их суперпозиция позволяет кубитам выполнять параллельные арифметические операции - и каждый дополнительный кубит умножает это экспоненциально.
Вторым замечательным свойством квантовых компьютеров является запутанность. Два кубита, которые переплетаются, имеют связь между ними - независимо от их расстояния. Даже за тысячи километров кубит принимает состояние запутанного кубита без какой-либо задержки.
Как рассчитывает квантовый компьютер?
Как уже говорилось, классические компьютеры используют логические элементы для расчетов. Так называемые квантовые вентили используются в квантовых компьютерах, и хотя эти вентили чрезвычайно различаются, могут выполняться одни и те же арифметические операции - с той принципиальной разницей, что квантовый компьютер может выполнять эти вычисления одновременно.
Что может сделать квантовый компьютер
Шифрование. Эта способность может фактически представлять угрозу для нашей ИТ-безопасности, особенно для современных методов криптографического шифрования. Основная факторизация является обычным шифрованием и считается очень безопасной. Число создается путем умножения нескольких простых чисел. Чтобы восстановить оригинальные простые числа, современным компьютерам потребуется 100 000 лет. Поскольку квантовые компьютеры могут выполнять арифметические операции параллельно, они смогут взломать это шифрование в течение нескольких минут, используя так называемый алгоритм Шора. Это касается шифрования платформ электронной коммерции, облачных предложений, электронного банкинга, систем IoT и всего, что передается в зашифрованном виде в Интернете.
Хорошая новость заключается в том, что квантовые компьютеры также поддерживают новый тип шифрования - квантовую криптографию. Тем не менее, эксперты по безопасности уже сегодня предупреждают о том, что в будущем они могут подумать о возможных квантовых компьютерах - особенно в отношении конфиденциальных данных, которые хранились десятилетиями, таких как банковские данные, существует риск того, что появление квантовых компьютеров быстро сломает старое шифрование.
Базы данных. Другое применение квантовых компьютеров - поиск в гигантских базах данных с использованием алгоритма Гровера. В то время как классический компьютер ищет запись в базе данных по записи, квантовый компьютер может сканировать записи намного быстрее из-за его наложения.
Моделирование. Даже очень сложные моделирования, например, самой квантовой технологии или сложных молекулярных структур, могут извлечь выгоду из квантовой технологии, потому что традиционные компьютеры достигают здесь своих пределов.
Технология кратко объяснила
Развитие эйнштейновского лифта
Каково текущее состояние квантовых компьютеров?
И исследовательские институты, и компании в настоящее время создают квантовые компьютеры, хотя здесь все еще используются совершенно разные архитектуры. Google и IBM отдельно создают квантовый компьютер на основе сверхпроводящих полосковых резонаторов. Кубит - это электронное облако в микроволновом генераторе. Это охлаждается до 15 милликельвинов, что близко к нулю. Джозефсоновский контакт дает возможность квантового туннелирования, и, регулируя частоту генератора, кубиты могут чередоваться и могут использоваться квантовые вентили.
В прошлом году Google вызвал сенсацию, представив свой первый квантовый компьютер, который за считанные минуты выполнил вычисление, на которое традиционным компьютерам потребовалось 10000 лет. Этот расчет был выполнен с 53 кубитами. В качестве следующего шага Google хочет внедрить чип с 1000 кубитами - однако количество кубитов не является единственным решающим фактором для вычислительной мощности, кубиты также должны быть высокого качества, чтобы иметь низкий уровень ошибок.
Насколько важными будут квантовые компьютеры для нашего будущего, пока трудно сказать. Исследование квантового компьютера все еще находится в зачаточном состоянии. Маловероятно, что они заменят наши классические компьютеры, но в каком направлении идет разработка и каким будет следующий квантовый скачок - в этом контексте слово Януса, потому что физический квантовый скачок - это что-то крошечное и маленькое - неизвестно.