Этот безумный квантовый мир. Часть 4: Квантовые компьютеры

Квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры. duallogic / bigstock.com

В последней части серии про кванты мы решили рассказать вам про то, как квантовые законы используют в вычислительной технике. Сегодня мы поговорим о квантовых компьютерах.


 

Другие лекции серии:

Этот безумный квантовый мир. Часть 1

Этот безумный квантовый мир. Часть 2: Спин

Этот безумный квантовый мир. Часть 3: Квантовое число


 

Из истории советской кибернетики

Когда люди начали создавать компьютеры, их собирали поштучно. Это был единичный товар, который делался под конкретные задачи, мог занимать целое здание и под каждый могли разрабатывать собственный язык программирования. В связи с этим появилось сразу несколько разновидностей компьютеров. Были аналоговые компьютеры, в которых нельзя получить точный ответ в виде числа, зато они хорошо графики рисовали. И были электронные, которыми мы пользуемся, только гораздо более примитивные, конечно. И когда стало понятно, что компьютеров становится всё больше, и их нужно делать всё больше, советская кибернетика (а я сейчас говорю о том, как это всё происходило именно в СССР) столкнулась с проблемой: надо было решить, какими их делать, если делать их массово и унифицировать.

И вот они произвели расчеты и пришли к выводу, что оптимальное основание для системы исчисления — это число е, которое равно, если грубо округлить, 2,7. А 2,7 — это 3 или 2? Поскольку до этого уже были компьютеры, основанные на двоичном коде (0 и 1, «да» и «нет»), и их делать было проще, чем на троичном, решили, не мудрствуя лукаво, делать всё в двоичном коде. Чисто технически это было гораздо проще, потому что его значения определялись наличием тока: есть ток — 1, нет тока — 0.Но это было вообще-то не очень логично, потому что 3 к 2,7 ближе, чем 2.

Электронный аналоговый компьютер
Электронный аналоговый компьютер, построенный около 1953 для Боинга. Joe Mabel / wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

Тем не менее была группа энтузиастов из Ярославля, которые собирались в конце 80-х годов построить компьютер с основанием 3, чтобы посмотреть, как он будет работать. Считалось, что он должен работать гораздо быстрее. Однако началась перестройка, автор покончил жизнь самоубийством, компьютер этот не достроили, не запустили и больше к этому не возвращались, потому что железный занавес рухнул, и к нам попали уже американские компьютеры.

Закат эпохи электронных компьютеров

Но со временем технологии развивались, и компьютерные чипы стремительно становились всё меньше, так что сейчас мы постепенно приближаемся к тому пределу, когда чип меньше уже сделать будет физически невозможно. Поэтому встал вопрос, как развиваться дальше, чтобы продолжать увеличивать производительность.

Были предложены разные решения этой проблемы. Например, предлагалось изменить способы передачи данных и перейти от проводов к световым пучкам. И вот подумали о том, что всё вокруг нас состоит из частиц, и у этих частиц есть определённая квантовая характеристика, называемая спином. Он обычно может принимать два состояния: положительное и отрицательное: +½ и -½, а некоторые частицы могут принимать ещё значение равное 0. Кроме того, в силу законов квантового мира, он может с некоторой вероятностью одновременно принимать оба значения, до тех пор, пока кто-нибудь не попытается эти значения измерить. И поскольку атомы очень маленькие, они могли бы быть очень удобными и компактными носителями информации.

Но это оставалось просто идеей до того времени, пока не научились контролировать состояние отдельного атома. И людиосознали, что вот уже возможно сделать квантовый компьютер. Где-то в начале 2000-х поняли, что для этого нужно создать какой-то вычислитель, который будет основываться на других законах. Он должен работать не на обычной логике, где есть либо «да», либо «нет»,  либо 0, либо 1, а на квантовой, в которой частицы могут находиться как в этих двух состояниях по отдельности, так и в суперпозиции, или в двух состояниях одновременно. Эта неопределённость открывает огромное пространство для вычислений, если научиться с ней работать. Связано это, собственно, с тем, что 3 состояния ближе к 2,7, чем к 2.

На пороге квантовой эры

Существуют простейшие, чисто математические, задачи, которые предлагают в школе, вроде разложения числа на множители. Но такие задачи компьютеры решают перебором, так что если взять очень большое число, то обычный компьютер, даже с самой большой мощностью, может разбирать (или, точнее говоря, факторизовать) его миллион лет (буквально), в то время как квантовый компьютер справится за несколько дней. Так что если мы создадим нормально работающий квантовый компьютер, то это положит конец шифрованию, поскольку оно,в сущности, и основано на факторизации.

Есть даже теория заговора, согласно которой квантовые компьютеры до сих пор не поступают в продажу, потому что этому препятствуют все мировые правительства. Ведь тогда абсолютно всё, вся секретная информация будет расшифрована в первую же неделю. Поэтому сначала все разрабатывают квантовое шифрование, и вроде как в Китае, Пентагоне и Москве уже запустили компьютеры, занимающиеся этим. Однако квантовые компьютеры как таковые пока ещё не применяются, потому что они медленные, и нет ещё задач, кроме шифрования, которые они могли бы успешно решать.

квантовые компьютеры
agsandrew / bigstock.com

Но сейчас это очень активно развивающаяся область, в которой, правда, очень тяжело разобраться. Одно из ответвлений в области работы с квантовыми компьютерами — это спинтроника, в рамках которой разрабатывается так называемая спино-магнитная память. В ней каждый атом выступает как носитель единицы информации, так что плотность записи информации получается гигантская, на порядок больше, чем мы сейчас имеем. Такие носители информации будут к тому же быстрее. А в отличие от флеш-карт, например, не будут, что называется, деградировать или портиться с каждой новой записью.

Кроме того, у квантовых объектов есть такое интересное свойство, что если создавать частицы не по одной, а по две сразу, то они будут связаны между собой: влияешь на одну частицу, и то же самое происходит с другой. Скорость взаимодействия вещества и, соответственно, скорость передачи информации посредством такого взаимодействия конечна. Но скорость передачи информации через квантовое взаимодействие, через вот эти взаимосвязанные частицы, мгновенна. В связи с этим сначала появилась идея даже не квантовых компьютеров, а квантовой связи, потому что, если создать два таких квантовых приёмника, то как бы далеко они друг от друга ни находились, нам не придётся ждать ответа. Кроме того, эти сообщения невозможно перехватить. На самом деле, всё это довольно сложно осуществить, и установки для такой связи нужны просто огромные. Вроде как сейчас физики всё-таки научились создавать квантовую связь, правда, по какому-то иному принципу.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Войти с помощью