+1 480 207 5163
Corporate blog
Andersen, software for business
Blog

Кот Шрёдингера против Предела Мура

Сейчас на гребне популярности нейросети. Они способны писать стихи, управлять автомобилем или помочь вам отобрать удачные фотографии из отпуска. Мало того, ещё и учатся сами! Выглядит здорово, тут не поспоришь. Но одновременно ведётся разработка технологии, которая изменит сами привычные принципы вычислений. Давайте же разберёмся, что такое квантовый компьютер, с чем это едят и причём тут кот.

Что такое квантовые вычисления?

Привычные нам компьютеры работают на транзисторах, в качестве минимальной единицы информации используя биты. Бит может быть единицей или нулём, true или false. С помощью комбинаций битов можно строить выражения формальной логики и описывать алгоритмы. Взяв достаточно много битов, оцифровать можно практически что угодно.

При квантовых вычислениях минимальная единица называется кубитом. И суть в том, что она может быть нулём и единицей одновременно. По принципу суперпозиции, квантовый бит находится во всех возможных состояниях сразу. Пример суперпозиции (то есть смешения состояний) – знаменитый кот Шрёдингера. Пока мы не открыли ящик, котик может быть равновероятно жив (единица) или отнюдь (ноль). Это не так просто осмыслить, ведь квантовая механика – по определению один из самых сложных для восприятия разделов физики. Не просто так один из её принципов так и называется – квантовая запутанность. Но общая идея в том, что, перейдя с битов на кубиты, можно решать определённые задачи в миллионы раз быстрее, обрабатывая одновременно все возможные состояния, а не перебирая их одно за другим. Каких-нибудь 50 кубитов хватит для решения всего, что мы можем предложить таким компьютерам.

Допустим, кому-то понадобилось взломать криптографическую защиту банка. Для этого нужно разложить на простые множители 500-значное число. Современному суперкомпьютеру на такую задачу потребуется всего-то 5 миллиардов лет. А вот квантовый найдёт решение за считанные секунды – и можно снимать денежки со счетов. Но пока всё не так просто.

Почему это важно?

Традиционные вычисления полностью завязаны на кремниевых чипах. С развитием технологий мы можем разместить на той же площади микропроцессора больше транзисторов меньшего размера. Именно этот показатель влияет на увеличение вычислительной мощности в новых процессорах. Основатель Intel Гордон Мур сформулировал закон имени себя, по которому число транзисторов удваивается примерно каждые два года. Но сейчас технологии, наконец, приближаются к пределу Мура – моменту, когда физически не получится сделать транзистор меньше. В конце концов, размер атома кремния — 0,2 нанометра, а последняя разработка тайваньского производителя чипов TSMC (это они работают с AMD и Apple, например) – это 7-нанометровый процессор. Делать процессоры больше, чтобы вместить больше транзисторов – тоже не выход, ведь свои ограничения накладывает и скорость света, быстрее которой данные на микросхеме передаваться не могут. Какое-то время мы ещё протянем на изобретении более эффективных алгоритмов и параллельных вычислениях. Но квантовый компьютер – это пока единственная возможность не позволить увеличению вычислительных мощностей однажды прекратиться.

Что для этого нужно?

Собственно, главная сложность – это создание самого кубита и обеспечение ему гарантированной квантовой неопределенности, то есть абсолютного отсутствия влияния внешних факторов. Ведь как только хоть что-то повлияло на квантовое состояние – суперпозиция пропадает, а крутой кубит становится скучным битом. Пока что требуется очень много экспериментов, чтобы найти идеальный кубит и условия для него. Например, с моментом импульса электрона того или и иного вещества при температурах, близких к абсолютному нулю. Или с ионами в вакуумных ловушках. Или с лабораторным получением новых материалов, являющихся одновременно и сверхпроводником, и ферромагнетиком (веществом, разрушающим состояние сверхпроводника при некоторой температуре)… Короче говоря, работа ведётся, а возможность её успеха уже доказана. Так что результат – лишь вопрос времени. Скорее всего, полноценный квантовый компьютер появится уже в течение семи лет.

В чём подвох?

На самом деле, многие компании уже объявили о создании прототипов, но есть ряд проблем:

1. Действительно ли они квантовые? Парадокс того самого “кота” в том, что он перестанет быть в суперпозиции, как только мы откроем ящик, чтобы посмотреть, как у него дела. Так и проверить состояние кубитов невозможно.

2. Как их проверить? Действительно, традиционными способами нельзя выяснить, верен ли результат квантовых вычислений. Но тут определённые подвижки есть. Можно найти задачу, которую можно решить только квантовыми вычислениями, или научить квантовые компьютеры перепроверять друг друга. А ещё подбирать для проверок задачи, конечный результат которых мы будем знать. Скажем, оцифровку строения нашей ДНК-клетки.

3. Чем занять квантовый компьютер? К сожалению, требующих квантовых вычислений задач пока придумано не так уж много. Однако уже очевидно, что ставят их не только математика и физика, но и химия, биология, астрономия, социология. Так что, был бы компьютер, а работа ему найдётся.

Если вам захотелось разобраться, как это работает, обратите внимание на пакет Quantum Development Kit, разработанный Microsoft. Он включает в себя эмулятор квантовых вычислений, созданный специально для них язык Q# и много справочных материалов. Взгляните, каким может быть будущее программирования.

Previous articleNext article