Принцип работы квантовых компьютеров и их перспективы - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Принцип работы квантовых компьютеров и их перспективы

Починяев К.А. 1
1Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Не так давно на мировом рынке появились домашние персональные компьютеры. Изначально, никто не верил в то, что компьютер можно сделать маленьким и доступным для любого человека в мире. Благодаря инициативе Билла Гейтса и Пола Аллена в 1975 году началась целая техническая революция. Слоган Гейтса «компьютер – на каждый рабочий стол и в каждый дом» звучал как недостижимая мечта. Сейчас же, IT-технологии являются одной из самых развивающихся сфер в мире, за столь короткий промежуток времени они охватили все остальные сферы. Наука не стоит на месте и вот уже большинство функций компьютера были успешно перенесены на смартфоны, но это не значит, что компьютеры уходят в прошлое, ведь совсем недавно на выставке CES в 2019 году, компания IBM представила фактически первый квантовый компьютер, пользователем которого потенциально может стать каждый желающий (рис. 1) [1].

Рис. 1 - Первый квантовый компьютер от компании IBM

Если проанализировать ситуацию на рынке персональных компьютеров (ПК) и ноутбуков, то можно увидеть, что показатели постепенно уменьшаются. Так, если посмотреть на отчет компании IDC по итогам исследования российского рынка за третий квартал 2019 года, можно увидеть, что в Россию за этот период было поставлено около 1,37 миллионов настольных компьютеров и ноутбуков, что на 8% меньше показателей аналогичного периода 2018 года, при этом, если брать отдельно сегмент настольных ПК, отбросив сегмент ноутбуков, то показатели меньше всего лишь на 0,6% относительно 2018 года (рис. 2) [2]. Возможно, уменьшение показателей связано с тем, что пользователи сами собирают компьютеры, покупая компоненты отдельно.

Рис. 2 – Российский рынок ПК III-квартал 2019 года

Не смотря на причину понижения показателей, число поставок настольных ПК все равно значительное и говорит том, что компьютеры все так же актуальны и смартфоны не смогли полностью убрать ПК на второй план.

Чтобы сравнить обычный персональный и квантовый компьютер, нужно понять основной принцип их работы. Классический компьютер работает на основе транзисторов и кремниевых чипов, используемых для обработки бинарного кода, состоящего из нулей и единиц. Бит, как минимальная единица информации имеет два базовых состояния: 1 и 0. Эти состояния можно легко контролировать и менять, следовательно объекты могут либо находиться в конкретном месте или состоянии, либо - не находиться. Даже наименования для битов: 0 и 1 - это чистая условность, введенная людьми для собственного удобства, поскольку компьютер манипулирует двумя различимыми состояниями [3, ст. 16].

Работа же квантового компьютера будет основываться на принципе суперпозиции – состоянии, когда объект в определенный момент времени может находиться в нескольких состояниях и неизвестно в каком состоянии он находится сейчас.Известным наглядным примером является мысленный эксперимент, называемый «кот Шредингера»: в закрытый ящик помещены живой кот, емкость с ядовитым газом и радиоактивное ядро. Если ядро распадается, оно приводит в действие механизм, который открывает емкость с газом и тем самым убивает кота. Вероятность того, что ядро распадется за час, - 50 процентов. Через час кот в ящике жив с вероятностью 50 процентов. С точки зрения квантовой механики, кот находится сразу в двух состояниях, так как непонятно, что с ним сейчас . Когда наблюдатель откроет ящик, он увидит, жив кот или мертв.

Так как обычный бит может хранить только одно состояние 0 или 1, то вместо классических битов будут использоваться кубиты, способные хранить состояние 0 и 1 одновременно, согласно принципу суперпозиции. Кубиты - объекты хрупкие и поддерживать суперпозицию они могут всего несколько наносекунд. При этом колебания температуры или сторонняя молекула могут легко нарушить суперпозицию - произойдет декогеренция. Явление декогеренции заключается в том, что измеряемая система теряет свои специфические квантовые свойства. Другими словами, кубиты нестабильны, они мгновенно забывают информацию, которую вы хотите сохранить на квантовый компьютер. При воздействии на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы. Для борьбы с декогеренцией разрабатываются различные методы изоляции квантовой системы, включая использование крайне низких температур и высокого вакуума, другой вариант - введение в квантовые вычисления кодов, устойчивых к ошибкам, связанным с декогеренцией. Однако, почти вся мощность будет тратиться на исправление ошибок и лишь малая часть для решения задач.

Выходит, что в одной двоичной ячейке квантового компьютера, называемой кубитом, может храниться не только одна из двух цифр двоичного счисления, 0 или 1, но одновременно обе эти цифры. Например, в двух кубитах могут храниться одновременно 4 двоичных числа 00, 01, 10 и 11. А если в некотором регистре квантового компьютера содержится N кубитов, то в таком регистре может храниться одновременно двоичных чисел длины N. И при действии квантового компьютера одновременно обрабатываются все эти числа. Это и есть ключевое свойство квантовой системы, называемое квантовым параллелизмом. Для наглядности, можно описать квантовый параллелизм на следующем примере: если бы в нашем распоряжении были только классические компьютеры, каждый из которых работает с двоичными числами длины N, то для одновременной обработки таких чисел было бы необходимо компьютеров, однако квантовый компьютер, содержащий N кубитов, способен один одновременно обработать все эти чисел [4]. Если говорить о более практическом применении квантовой системы, то можно привести следующие несколько примеров.

Квантовая система способна моделировать саму себя. На квантовом компьютере можно моделировать любую квантовую систему за полиномиальное число шагов, то есть N= , где N-число шагов, P-величина параметра, а z - показатель степени, причем чем больше z, тем менее эффективен алгоритм [5, ст. 163]. Это позволит предсказывать свойства молекул и кристаллов, проектировать микроскопические электронные устройства размером в несколько десятков ангстрем ().

Разложение на множители и аналогичные теоретико-числовые задачи, например, Алгоритм Шора. И это может иметь скорее вредное, чем полезное применение: разлагая числа на множители, можно подбирать ключи к шифрам, подделывать электронные подписи и т.д.

Поиск нужной записи в неупорядоченной базе данных и аналогичные задачи, например, распознавание изображений. В перспективе квантовый компьютер может приблизить мир к решению задачи создания искусственного интеллекта.

У посмотревшего на эти примеры человека возникнет логичный вопрос, а нужен ли квантовый компьютер в бытовых условиях? Ведь данная технология используется в основном для очень сложных задач, которые обычный человек вряд ли будет решать в повседневной жизни. Анализируя, с чем связана популярность классического компьютера, в нем можно выделить одно важное свойство – масштабируемость. Присоединить дополнительную память к обычному компьютеру - простая процедура. Присоединение каждого нового кубита к квантовому компьютеру - пока что очень сложная задача с которой невозможно справиться без необходимых знаний.

Однако, нельзя говорить, что квантовые системы будут слабо распространены, так как их возможности могут полезны в любых крупных компаниях. Будет выгоднее приобрести один квантовый компьютер, способный самостоятельно справляться с такими задачами, для решения которых потребовалось бы большое количество классических компьютеров. В таких сферах, как наука, медицина, сложное техническое производство, квантовые системы точно будут востребованы.

В домашних же условиях и в быту такой компьютер вряд ли будет популярным, так как мощностей классического компьютера вполне для этого хватает. К тому же предполагается, что цена квантовой системы будет значительно отличаться в большую сторону от классического варианта, то есть будет не доступна обычному пользователю по бюджету.

Опираясь на все вышесказанное, можно сделать вывод, что масштабируемый и стабильный квантовый компьютер сможет стать огромным толчком для развития рынка компьютеров, а также главным фактором для развития науки.С помощью квантовых компьютеров можно оптимизировать множество процессов: от медицины и до машиностроения. Например, у людей появится возможность диагностировать болезни на более ранних стадиях, так как с помощью квантовой системы можно моделировать молекулы ДНК. В современном мире научно-технический прогресс идет быстрее, поэтому не придется ждать так долго. Возможно, достаточно одной свежей идеи и несколько лет на разработку новой технологи, которая возможно станет главной в истории человечества.

Список литературы:

3dnews.ru [Электронный ресурс] / IBM анонсировала первый квантовый компьютер, который можно поставить дома - Режим доступа : https://3dnews.ru/980890 , свободный. – Загл. с экрана.

idc.com [Электронный ресурс] / Российский рынок ПК в третьем квартале – Режим доступа: https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prEUR245704419, свободный. – Загл. с экрана.

Душкин Р. В. Квантовые вычисления и функциональное программирование. — 2014. - 318 с., ил.

Habr.com [Электронный ресурс] / Квантовый компьютер: от мечты к реальности – Режим доступа: https://habr.com/ru/post/95428/, свободный. – Загл. с экрана.

Гурский Д. А., Турбина Е. С. Вычисления в Mathcad 12. — СПб.: Питер, 2006. - 544 с: ил.

Просмотров работы: 52