Квантовый компьютер — что такое, как он работает и зачем нужен

Какие минусы у обычного ПК

Все кто знакомился с информатикой подробнее, прекрасно знает, что все самые распространенные вычислительные гаджеты функционируют по принципу двоичной системы счисления. Вся поступающая информация переформатируется в нули и единицы и именно в таком состоянии сохраняется на внутреннем накопителе.

Такая технология наиболее удачно подходит для современной аппаратной части. Более того, работать только с двумя противоположными частями намного проще. Однако есть проблема, для работы с огромными объемами информации и сложными вычислительными схемами такой принцип не подходит. Для получения необходимых результатов, потребуется слишком много времени.

По какому принципу работает квантовый ПК

Стандартные компьютеры функционируют строго в двоичной системе, в памяти все отображается исключительно в «0» или «1». По этой причине процессору для выполнения поставленных задач приходится поэтапно перебирать все актуальные варианты, чтобы выявить подходящий. В результате, процесс выполнения поставленных задач слишком затягивается.

Естественно, возник вопрос, а можно ли мгновенно получить ответ на все комбинации. Впервые к поиску ответа на этот вопрос приступили ученые еще 40 лет назад. Они пришли к выводу, что ускорить вычислительные процессы может квантовый компьютер. Причем была предложена схема такого компьютера.

Базовым элементом такого ПК стал кубит или квантовый элемент. Он полностью подчиняется правилам квантового мира. Плюс обладает некоторыми важными качествами.

Если сравнивать кубиты с привычными ячейками, то они могут одновременно быть как в двух позициях, так и в любом промежуточном варианте. Для понимания вот пример. Монетка на земле находится либо в позиции «орел» или «решка», но в воздухе фактически как сочетает оба варианта сразу, так и приближается промежуточными значениями то к 1, то к 0. Так и получается суперпозиция. На практике обычный ПК может располагаться только в одной позиции во время поиска данных. По этой причине на проверку всех вариантов тратится много времени. Квантовый в один момент может находиться сразу со всех сторон. Это обеспечивает мгновенный результат.

Все далеко не так просто

На практике, есть одна проблема. Полученные результаты только частично верны. Работа квантовых ПК регламентируется определенными алгоритмами, для которых правильный ответ формируется более частым выпадением «1» или «0». По факту получается, что эффективность квантового компьютера зависит от применяемых алгоритмов. Сейчас есть несколько специализированных вариантов алгоритмов, позволяющих получать результаты относительно точные.

Сборка квантовых ПК

Первый вариант появился в 1998 году. После этого началась настоящая гонка. Многие известные компании и производители начали предлагать свои варианты. Внедрять передовые технические решения. Лидером по инвестициям является Китай. Самые продвинутые варианты предлагает D-Wave. Причем они эксклюзивно поставляются для определенных организаций. Хотя нужно подметить ПК D-Wave не являются квантовые в чистом виде. Тут нужно отметить, что это не полностью квантовые компьютеры, а скорее гибридные системы которые частично оперируют квантовыми явлениями, а частично производят симуляцию квантовых процессоров. Фактически научное сообщество только учится работать с квантовыми алгоритмами определяя наиболее эффективные методы. И уж если обычный ПК простаивает 95% времени ожидая ввода данных от пользователя, то в случае с квантовыми пк можно сказать, что они будут простаивать почти все свое машинное время.

Где могут использоваться квантовые ПК

Формально квантовые ПК обладают внушительными возможностями. Однако создание такой техники дорогое удовольствие. Более того, итоговые результаты только относительно точные. Единственное, что имеет значение, кубиты позволяют быстро обработать огромные объемы данных.

Моделирование различных процессов

Много ресурсов требуют процессы, связанные с построением сложных систем на базе атомов и молекул. Обычным ПК такие процессы не всегда подвластны, а вот квантовые вполне могут справиться и быстро дать результат. Это даст возможность быстро разрабатывать новые эффективные лекарства и уникальные материалы.

Криптография

Многие схемы шифрования могут легко взломать квантовый ПК. Однако для этого они достичь определенной мощности. На текущий момент это только перспективы. Например, для быстрого вскрытия RSA-2048 требуется около 4000 кубитов. Пока таких ресурсов нет. Вычислительная мощность квантовых ПК определяется количеством кубитов, которыми они могут оперировать. При этом увеличение мощности в 10 раз это не увеличение кубитов в 10 раз, а добавление лишь 1. Другими словами квантовый компьютер с12 кубитами в 100 раз мощнее компьютера оперирующего 10 кубитами. На текущий момент самая мощная система производит симуляцию квантового ПК со 127 кубитами.

Прогнозирование

Финансовый рынок находится в постоянном поиске новых инструментов для эффективного прогнозирования. Квантовые ПК существенно расширят возможности в прогнозировании. Это позволит еще точнее находить варианты для выгодного инвестирования средств.

Также некоторые эксперты утверждают, что такие компьютеры помогут с прогнозированием погоды и климатических изменений. Хотя для этого пока нет подходящих алгоритмов.

Какие перспективы у квантовых ПК

На данный момент такая технология имеет массу ограничений и сложностей в реализации. Для создания ПК применяются специальные саркофаги, где создаются оптимальные условия для протекания процессов. Любое внешнее воздействие их может мгновенно разрушить.

Также существенно ограничивают дальнейшее развитие многочисленные ошибки. Причины могут быть самые разнообразные, начиная от некачественной изоляции и завершая случайным попаданием сторонних частиц. Системы настолько чувствительны, что на результат влияет любая субатомная частица, попавшая в рабочую область.

Однако самое главное – это специфичность. Такие агрегаты актуальны только определенных операций и только с применением определенных алгоритмов.

Заключение

На данный момент квантовые ПК – это сырой продукт, которому предстоит преодолеть большой путь. Слишком много у него ограничений и довольно сложная и запутанная сборка. Также множество ограничений, связанных с их эксплуатацией. Обычным пользователям такие компьютеры никаких новых возможностей или преимуществ не дают. В ближайшее время обычные ПК будут и дальше оставаться главными инструментами для работы в интернете, запуска игр и выполнения других задач.