В этой публикации, друзья, рассмотрим, что такое квантовый компьютер. Представьте компьютер, способный решать задачи в миллионы раз быстрее, чем самый мощный современный суперкомпьютер. Квантовый компьютер – это революционная технология, меняющая правила игры в мире вычислений. Как работает квантовый компьютер? Чем он отличается от обычного компьютера? Какие задачи он может решать? Как квантовые компьютеры изменят мир?

↑ Что такое квантовый компьютер

↑ Квантовый компьютер – что это

Квантовый компьютер – это вычислительное устройство, использующее принципы квантовой механики для обработки данных. Обычные компьютеры построены на двоичной системе: они работают с битами, которые могут принимать значения или 0, или 1. В отличие от них квантовые компьютеры используют кубиты. Кубиты могут находиться в суперпозиции – т.е. могут одновременно быть и 0, и 1.

Помимо этого, квантовому компьютеру присуще явление квантовой запутанности. Это уникальное квантовомеханическое явление, при котором группа кубитов может вести себя как единая система, даже если кубиты физически разделены.

Эти свойства позволяют квантовым компьютерам решать задачи намного быстрее, чем обычным компьютерам.

Для лучшего понимания различий между обычным и квантовым компьютером приведём аналогии.

Для понимания работы обычного компьютера представим обычный светофор. У него есть три состояния: красный, жёлтый и зелёный. Но в любой момент времени он может показывать только один цвет. Это похоже на биты в обычном компьютере, которые могут быть либо в состоянии 0, либо в состоянии 1.

Для понимания работы квантового компьютера представим светофор с лампами, которые могут одновременно светиться разными цветами и даже создавать новые оттенки в процессе смешивания. Это аналог кубитов, которые благодаря квантовой суперпозиции могут находиться в состоянии 0, 1, или в обоих этих состояниях одновременно.

Квантовая запутанность – это когда два или более квантовых объекта (например, атомы, фотоны, электроны) оказываются взаимосвязаны таким образом, что измерение состояния одного из них мгновенно влияет на состояние другого, независимо от расстояния между ними. Для понимания этого явления представим пару танцоров, которые настолько хорошо согласованы, что даже если они будут разделены и помещены в разные комнаты, они всё равно будут двигаться синхронно. Если один начинает вращение, другой тоже начинает вращение, даже не видя партнёра. Эта синхронность и есть квантовая запутанность.

Квантовые компьютеры требуют специальных условий содержания, при которых кубиты могут сохранять своё квантовое состояние, что является сложной инженерной и физической проблемой. Кубиты нестабильны и привередливы: их необходимо содержать в вакууме, при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю (-273°C). Кубиты нужно содержать защищёнными от света, изолированными от любых внешних шумов, вибраций и электромагнитных волн.

Внешний вид квантового компьютера может отличаться в зависимости от используемой им технологии, но в целом это сложная установка, состоящая из нескольких компонентов: холодильной вакуумной камеры, управляющих элементов, системы считывания результатов квантовых вычислений, обычного компьютера для управления всеми компонентами квантового компьютера. Есть небольшие квантовые компьютеры, предназначенные для исследовательских целей или обучения.

А есть мощные квантовые компьютеры, занимающие целые серверные стойки и требующие специальных помещений с контролируемым климатом.

↑ Квантовый компьютер VS обычный компьютер

Процессоры активно эволюционируют, их мощности растут с каждым поколением. Что позволяет им выполнять более сложные вычисления и обеспечивать более высокую производительность. Современные центры обработки данных – специализированные помещения, оснащённые высокотехнологичным оборудованием для хранения, обработки и распределения информации - способны обрабатывать сотни петабайт данных, что является впечатляющим достижением. Для справки: петабайт — это 1 000 терабайт или 1 000 000 гигабайт.

Но ни центры обработки данных, ни даже самый мощный на сегодняшний день компьютер Frontier с колоссальной производительностью 1,194 экзафлопс, что в триллионы раз больше, чем производительность обычного современного компьютера, не могут сравниться с производительностью квантового компьютера.

Квантовые компьютеры обладают потенциалом для выполнения вычислений, которые недоступны даже самым мощным суперкомпьютерам, таким как Frontier. У квантовых компьютеров принципиально иной подход к обработке данных, позволяющий им решать определённые задачи невероятно быстро. Квантовые компьютеры обрабатывают огромнейшее количество вариантов решения задачи параллельно.

А это, друзья, значит, что квантовые компьютеры способны решать задачи в миллионы, а то и в миллиарды раз быстрее, чем обычные компьютеры. Квантовые компьютеры способны решать ранее нерешаемые задачи. Могут произвести прорыв в различных областях жизнедеятельности человечества.

↑ Как квантовые компьютеры изменят мир

Квантовый компьютер не нужен каждому из нас в отдельности, но нужен всему человечеству в целом. Вот некоторые из потенциальных применений квантовых компьютеров:

• Разработка новых материалов и средств с улучшенными свойствами. Это выведет аграрный сектор, строительство, медицину, индустрию красоты и подобные сферы нашей жизнедеятельности на новый уровень. Квантовые компьютеры могут моделировать сложные молекулы, что может привести к созданию более эффективных и безопасных материалов, составов, лекарств, препаратов и т.п.;
• Оптимизация производства. Квантовые алгоритмы могут оптимизировать процессы производства товаров, делая эти процессы более эффективными и менее энергозатратными. А, соответственно, более дешёвыми и доступными массам;
• Создание новых алгоритмов программного обеспечения. Это откроет перед разработчиками новые горизонты и привнесёт развитие и комфорт в жизнь обычных пользователей;
• Создание новых методов обеспечения кибербезопасности, которые будут устойчивы к хакерским атакам;
• Создание совершенного искусственного интеллекта, более совершенного, нежели нейросети, что мы имеем сегодня;
• Решение сложных задач логистики и планирования. Квантовые алгоритмы могут помочь в оптимизации маршрутов доставки и управлении городским трафиком, что сделает транспортировку более эффективной, сократит время в пути, снизит транспортные расходы;
• Разработка сложных финансовых моделей для улучшения прогнозирования рынков и снижения рисков. Это позволит инвесторам принимать более обоснованные решения;
• Разработка новых источников энергии. Квантовые компьютеры могут помочь в исследовании и разработке новых источников энергии, таких как ядерный синтез или солнечные батареи нового поколения;
• Оптимизация энергосистем. Квантовые алгоритмы могут оптимизировать работу электросетей и повысить эффективность использования энергии;
• Космические исследования. Квантовые компьютеры могут помочь в моделировании и проектировании новых космических аппаратов, делая их более лёгкими, прочными и манёвренными. Квантовые алгоритмы могут обрабатывать большие объёмы данных, полученные с космических аппаратов, с гораздо большей скоростью, чем обычные компьютеры;
• Улучшение эффективности образования. Квантовые компьютеры могут помочь в создании образовательных программ, адаптированных к индивидуальным потребностям каждого ученика. Квантовые алгоритмы могут быть использованы для разработки новых методов обучения, которые сделают обучение более эффективным и интересным;
• Исследование климата и защита окружающей среды. Квантовые компьютеры могут моделировать изменение погоды и разрабатывать меры по предотвращению её негативных проявлений. Могут помочь в разработке новых методов очистки воздуха, воды и почвы.

↑ Где есть квантовые компьютеры

Квантовые компьютеры на данный момент имеются в основном в исследовательских организациях и у некоторых технологических компаний, которые разрабатывают и тестируют их для специализированных задач. Из известных квантовых компьютеров:

• В США - IBM Quantum Hubs, Google Quantum Supremacy, IonQ;
• В Канаде - D-Wave Systems;
• В Германии – IQM;
• Во Франции – Atos, Pasqal;
• В Великобритании - Oxford Quantum Circuits, Rigetti Computing;
• В Китае - BIST Quantum, Peng Cheng Quantum Computing;
• В Японии - IBM Quantum Hub Japan, Fujitsu Quantum Computing;
• В Австралии - Silicon Quantum Computing;
• В Индии - Tata Institute of Fundamental Research.

↑ Подводя итоги…

Квантовые компьютеры находятся на заре своего развития. И пока что не готовы заменить обычные компьютеры в большинстве задач. Большинство квантовых компьютеров не являются универсальными, они могут решать только определённые задачи.

Квантовые компьютеры, как упоминалось, требуют специальных помещений и условий содержания. К тому же, большинство существующих алгоритмов и программ не адаптированы для работы на квантовых компьютерах, что ограничивает их практическое применение на данный момент.

Тем не менее, друзья, квантовые компьютеры, несмотря на сложность их содержания, таят в себе огромный потенциал для революционных изменений во многих сферах нашей жизни. Квантовые компьютеры не заменят обычные компьютеры. Предполагается, что квантовые компьютеры будут решать задачи, недоступные для обычных компьютеров. Но… Кто знает, каким мир будет через 10 лет, а уж тем более лет через 100.