XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ВВЕДЕНИЕ

В последние несколько лет в заголовках научных статей и новостей все чаще стали упоминаться квантовые компьютеры. Что собой представляет этот вид вычислительной техники, как работает, и какие перспективы подарят квантовые вычисления?

Все, кто изучал в школе или университете информатику, знают, что любая вычислительная техника, будь то компьютер или смартфон, работает с использованием двоичной системы счисления. Все данные, то есть различные числовые значения, переводятся в нули и единицы и именно в этом формате хранятся непосредственно в памяти.

Выбор именно двоичной системы был продиктован аппаратной частью. Реализовать только два противоположных состояния намного проще. Например, в HDD изменяется направление вектора намагниченности специальных ячеек (доменов). В SSD для хранения нулей и единиц используются транзисторы с плавающим затвором. Наличие или отсутствие заряда соответствует единице и нулю.

Рис. 1. Схема двоичной системы

Такая схема (рис.1) прекрасно работает практически во всех повседневных и даже научных задачах. Но есть ограничения в так называемых больших данных (BigData).

Представьте (рис.2), что у вас три грузовика, которые нужно распределить между двумя паромами через реку. Задача — определить, сколько есть вариантов расположения машин.

Рис. 2. Варианты расположения машин

Нетрудно подсчитать, что всего существует восемь вариантов — 2*2*2 или 2³. Но что если грузовиков или паромов будет несколько десятков? В этом случае степень числа может доходить до сотен, а число возможных вариантов до нониллионов (1030) и даже больше. Суперкомпьютеру для рассмотрения всех этих вариантов понадобятся годы и даже десятилетия. Для этой цели используется квантовый компьютер [2].

Что такое квантовый компьютер?

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Теоретически, это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного преимущества (квантового превосходства) над обычными компьютерами в ряде алгоритмов [1].

Поскольку обычные компьютеры работают в двоичной системе счисления, в памяти всегда будет находиться «1» или «0». Именно поэтому в ходе задачи перебора процессору приходится последовательно перебирать все возможные варианты и проверять, какие из них соответствуют поставленным условиям. На это тратится много времени.

Можно ли как-то получить значения всех комбинаций моментально, не выполняя перебор? Об этом вопросе начали задумываться с 1980 года — именно тогда Юрий Манин, а годом позже и Ричард Фейнман предложили модель квантового компьютера. С 1982 по 1984 годы были предложены теоретическая схема квантового компьютера и первый квантовый вентиль — аналог логического элемента.

Ключевой особенностью квантовых компьютеров стало использование так называемых квантовых объектов — кубитов (рис.3). Эти квантовые объекты настолько маленькие, что подчиняются законам квантового мира и обладают определенными свойствами.

Их отличие от классической ячейки памяти состоит в том, что они способны одновременно находиться в двух состояниях. Это называется «суперпозиция».

Рис. 3. Кубиты

Представьте себе монетку (рис.4): в полете она может быть в любом положении, но после приземления у нее два граничных состояния — это «решка» и «орел». Так вот когда монетка летит в воздухе, она одновременно находится в состояниях «решка» и «орел». Это и называется суперпозицией.

Рис. 4. Принцип суперпозиции

Что выпадет в итоге, «решка» или «орел» — это зависит от вероятности (рис.5), которую мы можем прямо задавать. Как именно — это может быть спин электрона, поляризация фотона или что-то другое. 

Рис. 5. Вероятности

А теперь представьте (рис.6): классический регистр в один момент времени может находиться только в одном состоянии. Из-за этого для пересмотра всех вариантов ему приходится тратить время. Квантовый регистр в конкретный момент времени находится сразу во всех состояниях, а значит, мы можем получить результат практически моментально!

Рис. 6. Регистры

Для трехбитного квантового регистра мы получаем одновременно восемь готовых решений.

Как определить правильные комбинации?

Для определения правильного результата используются специальные алгоритмы. Например, возвращаясь к нашему примеру с грузовиками, необходимо отправить зеленую и красную машину обязательно вместе (рис.7). Алгоритм проводит определенные вероятностные операции над кубитами и позволяет определить, какие из всех вариантов удовлетворяют этим условиям.

Рис. 7. Правильные комбинации

Однако есть одна проблема. Поскольку изначально кубиты находятся в суперпозиции — то есть у выпадения «1» и «0» определенные вероятности, — то и полученный результат также верен только с определенной вероятностью. Суть существующих квантовых алгоритмов заключается в том, что для них полученный результат будет верен с вероятностью больше, чем 50 %. Соответственно, если повторить замеры очень много раз, то самый часто повторяющийся ответ окажется нужным [2].  

Как работает квантовый компьютер?

Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита (рис.8), возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.

Рис. 8. Биты и кубиты

Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов.

Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление

Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.

Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:

Шора (разложения числа на простые множители)

Гровера (решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных)

Дойча-Йожи (ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция)

Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе. Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением.

Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие.

Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения [3].

Список литературы

1.https://ru.wikipedia.org/wiki/Квантовый компьютер

2. https://club.dns-shop.ru/blog/t-100-protsessoryi/83551-kvantovyii-komputer-chto-takoe-kak-on-rabotaet-i-zachem-nujen

3. https://trends.rbc.ru/trends/industry/611256109a79470c8b396fbf

Код для цитирования: Скопировать