Квантовые вычисления: как мы решим нерешаемое?

Мускулы никогда бы не помогли человечеству забраться на вершину технического прогресса. Если сравнивать физические возможности нашего тела с животным миром, то мы безнадежно проигрываем. Лингвист Дерек Бекертон - сторонник новой эволюционной теории о возникновении ниш - утверждает, что на заре своего существования первобытные люди были так слабы и дезорганизованы, что вполне могли стать жертвой не то что льва, но и обычных харьков с птицами. Поэтому основная заслуга, что человек превратился в венец природы, заключается в наших мозгах.

Эволюция проделала большую работу. Наше серое вещество становилось все больше и больше, пока мы не стали самыми умными и развитыми существами на планете. Но прямая зависимость уровня интеллекта от объема человеческого мозга не могла продолжаться столь незамысловатым путем. В конце концов, наши матери - двуногие существа с довольно узким бедрами. А когда природа проектировала женщин, то не предполагала, что им придется рожать детей с чрезмерно большими головами. Но мы вполне были удовлетворены и теми мозгами, которые удалось развить за тысячи лет, пока в один прекрасный день не изобрели компьютеры. Эта революционная вещь значительно раздвинула горизонты нашего познания. Компьютеры за счет кремниевых чипов расширили биологические возможности интеллекта.

Тот тип компьютеров, который мы используем сегодня, относится к классической системе. Благодаря этой фантастической технике мы запускаем ракеты в космос, общаемся мгновенно через огромные расстояния со своими друзьями и родственниками и можем сделать селфи собственных ягодиц.

Последнюю половину столетия компьютеры развивались невообразимыми темпами. Каждые два года удваивалось количество транзисторов, которые мы смогли впихнуть в микрочип. Транзисторы - фундаментальные вычислительные блоки, переключатели, которые контролируют поток электронов, позволяя кодировать информацию в бинарной системе.

Удваивание вычислительных мощностей было предсказуемым явлением и даже получило название Закона Мура. Но на практике теория дала осечку. Мы достигли физических пределов возможного. Чтобы впихнуть еще большее количество транзисторов на чип, мы, конечно, должны их уменьшить. В наши дни около 4,3 млрд транзисторов содержит чип, умещающийся на кончике пальца. Самый маленький транзистор в мире имеет размер 1 нанометр, что в 500 раз меньше диаметра красной кровяной клетки. Но когда мы уменьшаем технику до таких размеров, начинают происходить странные вещи. Инженерам начинает дурачить голову необычные свойства квантовой механики. Транзисторы, в основном, сталкиваются с нежелательным эффектом квантового туннелирования

Проще говоря, когда транзистор хочет прекратить поток тока, тем самым показав “ноль” или выключенное состояние для вычислительной системы, он ставит непроницаемую стену на пути электронов. Стены - довольно неплохая вещь, чтобы кого-то остановить. Дональд Трамп намерен построить одну из них, чтобы люди не сбегали в Мексику. Но, к сожалению, эти люди не квантовые частицы. А вот квантовые частицы имеют несколько волшебных свойств. При достижении микроразмеров при создании чипов частицы проявляют эффект квантового туннелирования и могут телепортироваться сквозь стену, создаваемую транзистором. Поэтому мы не можем создать чип еще меньших размеров, ведь он просто не будет работать как надо для вычислительной системы.

Тогда ученых осенила блестящая идея. Зачем бороться с этим эффектом, если можно использовать его и создать квантовый компьютер? В действительности квантовые вычисления это нечто потрясающее, потому что помогут нам решить задачи, которые не под силу обычному компьютеру.

У квантового компьютера есть огромные преимущества. Поскольку кубиты устроены как сама природа, то с помощью их можно смоделировать все природные явления, к примеру, полностью вычислить все состояния молекул за измеримое количество часов, что заняло бы несколько тысяч лет на обычном компьютере.

Вся квантовая вычислительная мощь обеспечена двумя техническими аспектами.

Квантовые частицы могут находится в так называемой суперпозиции, то есть могут быть одновременно в двух состояниях. Пока мы их не наблюдаем, они не определились, в каком состоянии находиться, но все меняется, когда идет измерение их состояния. В классическом компьютере все данные представлены в виде единиц и нулей, то есть битов, а в квантовом компьютере используются кубиты. Из-за чудесных свойств суперпозиции кубит одновременно может быть нулем и единицей. Таким образом, в классической системе из 4 бит можно сделать 16 комбинаций из 1 и 0. Причем набор битов будет существовать только в конкретном варианте. А в квантовой системе 4 кубита могут иметь все 16 вариаций в одно и тоже время. Возьмите 20 кубитов и вы сможете хранить до 1 млн значений. Такая параллельность при вычислениях дает нам революционный способ для решения вычислительных задач.

И второй нюанс - запутанность. Квантовые состояния частиц зависимы друг от друга и связь действует на расстояниях, превышающих длину всех известных взаимодействий. При изменении состояния одной частицы почти мгновенно изменится состояние другой. Это фантастическим образом повлияет на процедуры чтения и записи информации у будущих квантовых компьютеров.

Суперсила квантовых вычислений поможет решить множество неразрешимых задач. Значительный прогресс ожидается в химии, медицине, искусственном интеллекте и криптографии.

Далеко ли еще до сумасшедших квантовых компьютеров? IBM уже выпустила систему с 15 кубитами, но она может решать довольно тривиальные и несложные задачи. Чудеса начнутся тогда, когда инженеры сделают машины с диапазоном от 20 до 100 кубитов.

Отрасль квантовых компьютеров развивается довольно быстро, но праздновать успех еще рано. Кубиты ведут себя довольно непредсказуемо и склонны к ошибкам. Для уменьшения процента неточностей при обработке данных и создания отказоустойчивой системы из 100 кубитов понадобится на самом деле еще больше кубитов, порядка 10 000.

Жизнь зародилась на земле 3,8 млрд лет назад и прошла долгий путь эволюции, чтобы первые существа выползли из моря на сушу, залезли на деревья, а потом слезли и встали на две ноги, чтобы превратиться в самых умных индивидуумов - хомосапиенсов. Мы научились решать сложные задачи с помощью компьютеров и теперь замахнулись на невероятные вещи - симуляцию самой природы. В этом деле нам помогут только квантовые вычисления - сама основа любой природы.

Источник Фото Unsplash Mathew-schwartz