Квантовый компьютер как следующий шаг в развитии ИТ

13 Июл
2012

Квантовый компьютер – это устройство, обещающее очень высокую производительность, которая недоступна при современном уровне развития технологии, а также сочетание миниатюрных размеров и минимального потребления энергии. Но что же стоит за понятием «квантовый компьютер»?
Огромное количество окружающих нас сегодня устройств создано и функционирует на основе законов квантовой механики. Законы квантовой механики кардинально отличаются от законов классической механики, так как квантовая механика рассматривает объекты и явления не макро-, а микромира. Порождением квантового мира является и квантовый компьютер.
Несмотря на то, что мощности и быстродействие современных компьютеров постоянно возрастают, с их помощью можно решить не все вычислительные задачи. Считается, что квантовые компьютеры могли бы помочь преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических ЭВМ.
Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики и потому кардинально отличающееся от компьютеров, которые работают на основе классической механики. На сегодняшний день полномасштабный квантовый компьютер – это гипотетическое устройство, возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории. Создание квантового компьютера в виде реального физического прибора является одной из основных задач физики XXI века.
Основным понятием квантовой механики и основным принципом, который использует данная технология, является принцип суперпозиции. Заключается он в следующем: для объектов квантовой механики (таких как элементарные частицы) возможно одновременное нахождение в двух взаимоисключающих состояниях. Например, аналогом бита, минимальной единицы информации в классических компьютерах (которая принимает значения «1» или «0»), в квантовых компьютерах является в квантовый бит – кубит – который может быть нулем и единицей одновременно.
В классических компьютерах упорядоченные последовательности битов объединены в регистры. Последовательности, в которые объединяются кубиты, также называются регистрами. И если в обычном регистре размером N битов храниться только одно значение, то в регистре размером N кубитов одновременно находятся все возможные 2^N значений. Другими словами, квантовый компьютер может работать, как с «1» и «0», так и с обоими состояниями сразу. Именно благодаря принципу суперпозиции квантовые компьютеры в состоянии одновременно выполнять миллионы вычислений.ё
Также необходимо сказать об еще одном принципе микромира: частицы находятся в состоянии суперпозиции только до тех пор, пока над ними не произведено измерение.
В квантовом компьютере каждая команда – это последовательность логических операций, реализуемая через воздействие на кубиты. Начальные условия при этом задаются установкой кубитов в нужные состояния. Получение же результатов осуществляется путем «считывания» состояния кубитов.
Квантовые вычисления на сегодняшний день считаются очень перспективным направлением, которое может коренным образом расширить возможности современных компьютеров. Потенциальные преимущества квантового компьютера объясняются своеобразием законов квантового мира. Использование этой технологии поможет находить решения задач, требующих чрезмерно длительных вычислений от классических компьютеров.
К таким задачам относятся, например, криптография, системы искусственного интеллекта, оптимизация сложных систем, операции сравнения и др. Проблемы, для решения которых человечеству сейчас не хватает вычислительных мощностей (химический дизайн лекарств, взлом любых зашифрованных данных) в перспективе могут быть решены с помощью квантового компьютера. Подобные возможности данной технологии обусловлены тем, что квантовая система может находиться одновременно в разных состояниях. При этом получение ответа возможно только при измерении системы. Для получения с высокой степенью вероятности верного ответа и необходимо проведение множества измерений.
Однако, идея квантового компьютера до сих не была реализована из-за непреодолимых трудностей практического характера.
Ученые давно исследуют квантовые биты, пытаясь найти способ управления ими. Одной из основных является проблема изоляции кубитов от окружающей среды: с одной стороны, для защиты содержащейся в кубите информации необходимо обеспечить изоляцию последнего от информационного шума, с другой – необходимо сохранить возможность замерять и изменять состояние кубита. Второй проблемой, связанной с созданием и использованием квантовых компьютеров, является проблема того, что обеспечение высокой точности измерений также сопряжено со значительными трудностями.
Сказать, что квантовый компьютер может соперничать с обычным, пока нельзя, ведь преимущества первого заметны, только если он состоит по меньшей мере из 1000 кубитов. Сегодня рекорд принадлежит компании D-Wave, которой удалось создать 128-кубитную машину “D-Wave One”.
Специалисты корпорации D-Wave заявляют, их компьютер может применяться для решения задач, требующих большого количества ресурсов (как правило, вместе с классическими вычислениями) для специфических проблем. При этом ими признается высокая трудность программирования задач для данного компьютера.
Однако, работы D-Wave были подвергнуты критическому разбору рядом специалистов (по их мнению, возможность практического применения D-Wave One сомнительна). Другая группа специалистов не уверена, что D-Wave One действительно можно считать квантовым компьютером, несмотря на продемонстрированные квантовые эффекты. Дело в том, что в этом компьютере свойства квантовой механики используются как некий вспомогательный фактор, наряду с обычными вычислениями. При использовании же «настоящего» квантового компьютера скорость вычислений должна увеличиться именно благодаря операциям с самими кубитами.
Таким образом, первый квантовый компьютер в виде реального физического прибора уже создан, но говорить о массовом производстве полноценных квантовых компьютеров будет, по меньшей мере, преждевременно.
Относительно того, когда же появится компьютер, который можно будет безоговорочно назвать квантовым, исследователи сходятся на сроках в 10-15 лет. Так, например, по прогнозам футурологов компании Cisco Systems, квантовый компьютер должен появиться к середине 2020 года; футурологи TechCast прогнозируют, что повсеместное распространение квантовых компьютеров начнется приблизительно с 2022 года. В то же время, в компании IBM заявляют, что располагают всем необходимым, для того чтобы создать квантовый компьютер в течение ближайших 10-15 лет.
Разработчикам квантовых компьютеров предстоит решить еще много теоретических и практических проблем. Некоторые специалисты сравнивают современное состояние квантовых информационных технологий с уровнем развития классических компьютеров в 1950-е годы. Также существует мнение, что мощный работающий квантовый компьютер никогда не будет создан. Но даже в этом случае исследования в этом направлении могут привести к ряду других открытий, а значит, должны и будут продолжаться.
Написано на основе материалов следующих сайтов: www.popmech.ru, www.membrana.ru, ru.wikipedia.org, www.securitylab.ru, www.tadviser.ru
По материалам Хабрахабр.



загрузка...

Комментарии:

Наверх