Квантовые вычисления - кот Шредингера в ИТ
Квантовые вычисления - это тема, о которой мы много слышали в последнее время. Однако каждая попытка объяснить кому-то, что на самом деле представляет собой эта научно-фантастическая штука, приводит к кучке «эммммм» и бормотанию о беспрецедентных вычислительных мощностях и сложных алгоритмах (если вы, дорогой читатель, знаете больше этого, то вам спасибо ).
Начнем с плохих новостей. Нет, квантовый компьютер не позволит вам запустить Ведьмак 3 или любую другую игру-убийцу GPU на ультра настройках, не беспокоясь о том, что компьютер расплавит стол. КК не о развлечениях, а о науке.
Вы можете подумать: «Эээ, полезно, но скучно».
За исключением того, что наука - это тоже чертовски весело… если, конечно, ее глубоко понимают или популяризируют.
Итак, прежде чем исследовать мир квантовых вычислений, делая вид, что мы понимаем все, что пишем или читаем, давайте коснемся самой поверхности науки, стоящей за этой тенденцией.
Так что насчет кошки?
Вы не можете запустить свою любимую игру или любую другую «классическую» программу на квантовом компьютере, потому что она основана на совершенно другой архитектуре. Как мы знаем, в обычных компьютерах информация кодируется в битах, которые могут быть либо 0, либо 1. В квантовых компьютерах информация хранится в квантовых битах или, для краткости, кубитах. Здесь начинается темная магия и, что еще более загадочно, математика и физика.
Так что приготовьтесь, теория приближается. Обещаю, мы с этим справимся. Пока не закрывайте эту страницу.
Подобно классическим битам, кубиты имеют два основных состояния: ⟨1 | и | 0⟩. Но в отличие от классических битов, которые могут быть либо 1, либо 0, кубиты могут находиться в обоих состояниях одновременно.
«П-погоди. Как такое вообще возможно ?! »
Видите ли, основная элементарная частица, например фотон, ядро или электрон, может использоваться как кубит. И эти крошечные хитрые ублюдки обладают качеством, которое известно как квантовая суперпозиция. Вы когда-нибудь слышали о кошке Шредингера? Он мертв и жив одновременно, пока мы не откроем коробку, чтобы проверить, как поживает наш маленький пушистый чувак. То же самое и с кубитами. Наш «бит Шредингера» ни мертв, ни жив: он существует в обоих состояниях, ⟨1 | и | 0⟩, пока мы его не измерим, а затем кубит случайным образом наследует одно из состояний. Важно отметить, что в данном случае «случайно» означает «с точно определенной вероятностью».
Вы можете спросить: «откуда ученые узнают, что суперпозиция действительно существует, если ее нельзя наблюдать?»
Первый и скучный ответ: соответствующие математические вычисления верны только тогда, когда подразумевается суперпозиция. И второй: мы действительно можем это наблюдать. Пойдите и посмотрите эксперимент с двумя щелями. Он демонстрирует, как элементарная частица может быть двумя вещами одновременно. Это некая квантовая магия в действии.
Да, это совершенно нелогично, но именно так устроены нити ткани Вселенной. Если вы слишком много думаете об этом, это может свести вас с ума. Так что просто примите эту крутую причуду такой, какая она есть.
Более того, кубиты могут быть запутаны друг с другом, что означает, что они могут образовывать суперпозицию своих уникальных состояний. Что это значит? Приведу грубо упрощенный, но более или менее интуитивно понятный пример. Извините, дорогие квантовые физики, это на пользу нам, обычным смертным.
Представьте, у вас есть два обычных бита. Есть 4 возможных варианта информации, которую они могут хранить: 00, 01, 10 и 11. Система двух запутанных кубитов может хранить все эти четыре состояния одновременно. И чем больше запутанных кубитов находится в системе, тем больше возможных состояний она может хранить одновременно. На самом деле существует экспоненциальная зависимость. Система из n кубитов содержит 2 в степени n состояний.
Вы начинаете осознавать масштабы? Я расскажу вам об этом в перспективе.
Если у вас есть квантовый компьютер с 300 запутанными кубитами, он сможет хранить и обрабатывать 2 в степени 300 обычных битов информации. Сколько это стоит? Ну, 2 в 300 степени больше, чем частиц в наблюдаемой Вселенной.
И в этот момент IBM удалось создать квантовый компьютер с 50 кубитами.
«Вау! Это безумие ».
* Кашель-кашель *, не хочу портить вам волнение, но квантовое состояние компьютера IBM сохраняется только в течение 90 микросекунд. Тем не менее, это колоссальный результат и рекорд в отрасли. Также имейте в виду, что первые обычные компьютеры были размером с комнату и могли выполнять некоторые довольно примитивные операции по своим размерам.
Видите, это было не так уж больно, правда? Теперь, вооружившись некоторыми базовыми знаниями, мы можем более уверенно делать вид, что понимаем эти вещи.
На что способен Кот?
«Итак, мы поняли, в чем причина существования такого чудовища? Какая польза? Разве вы не говорили, что как только кубит измеряется, он случайным образом наследует одно конкретное состояние? »
Свойства сцепления и суперпозиции могут использоваться для вычислительного параллелизма. Мы можем использовать специальные квантовые алгоритмы, чтобы очень быстро получить конечный результат, используя всю мощь кубитов. Нам не нужно видеть результат каждого шага, а только последний.
Такая уникальность квантовых вычислений может использоваться для выполнения задач, с которыми обычные вычисления не могут справиться из-за огромного количества требуемых вычислений. Например,
- Квантовые компьютеры могут моделировать молекулы для разработки лучших лекарств или придумывать новые способы производства различных материалов. К сожалению, наши старые бит-приятели не способны к сложному моделированию молекул, поскольку необходимо учитывать слишком много деталей.
- Кроме того, квантовые компьютеры могут обрабатывать расширенное шифрование, как я обрабатываю файлы cookie, - очень быстро. (Нарушение безопасности еще никогда не было таким простым. Ура!). К счастью, алгоритмы квантового шифрования находятся в стадии разработки.
- Процессоры на кубитах могут значительно улучшить машинное обучение за счет быстрого анализа больших наборов данных (Приветствую мастеров нашего ИИ).
Как видите, это довольно значительный вклад, который могут внести квантовые компьютеры, и я даже не упомянул задачи оптимизации и квантовый поиск.
Квантовые компьютеры не заменят классические и, вероятно, никогда не заменят. Однако они являются инструментом, с помощью которого человечество может расширить научные горизонты, приближая нас к пониманию того, как работает эта странная и завораживающая Вселенная.
Приближается квантовый скачок. Так что будьте готовы, пристегнитесь и не забудьте погладить кошку, если она у вас есть.
