Существует ли квантовый компьютер? Принцип его работы
Наверх страницы
Выбрать тематикуеще 12

Квантовый компьютер как вычислительное устройство

Опубликована 20.11.2017
Прочтения: 389

В современном мире сложно представить жизнь человека без вычислительного устройства. Большая часть повседневной жизнедеятельности автоматизирована, начиная с оплаты коммунальных услуг и заканчивая научными исследованиями

Содержание 

Что такое квантовый компьютер?

Принцип работы квантового компьютера

Когда появятся квантовые компьютеры, адаптированные для домашних условий?


Что такое квантовый компьютер?

Сердцем всех этих устройств является кремниевый процессор, собранный из бесконечного множества транзисторов. Они интерпретируют проходящее через них напряжение как ноль или как единицу. Именно на системе двоичного кода и основана работа вычислительных устройств. Вся информация, которую содержат и выдают ЭВМ на экран — это комбинации нулей и единиц. Таким образом, одновременно в процессоре происходит великое множество математических вычислений и если процессов запущено слишком много, то ЭВМ с такой нагрузкой не справляется, что приводит к снижению качества и скорости ее работы.

Что же такое квантовый компьютер и чем он отличается от классического компьютера с кремниевым процессором? Существует ли реальное преимущество такой ЭВМ по сравнению с обычной? Данная ЭВМ предлагает нам принципиально иной процесс вычисления. На службу данного вычислительного устройства поставлены такие явления, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность. Человеку, далекому от науки, эти понятия не говорят ровным счетом ни о чем. Итак, по порядку.

Что же такое квантовая суперпозиция? Данная концепция предусматривает наличие двух взаимоисключающих состояний. Проще говоря, речь идет о том, что система или явление существует одновременно во всех теоретически возможных для себя состояниях. Как это выглядит на практике? Каждое состояние системы имеет свою долю вероятности — от нуля до ста процентов. Такая ЭВМ имеет в своей системе все возможные варианты ее состояний в том или ином процентном соотношении, значит, может решать ряд задач одновременно. Принцип работы такой ЭВМ в корне отличается от принципа работы обычной — пока обычная перебирает все имеющиеся варианты, квантовая уже имеет их в наличии и просто выбирает нужный. Таким образом, скорость работы вычислительного устройства увеличивается в разы!

Но далее возникает проблема, как интерпретировать результаты вычисления. Если с простым вычислительным устройством все просто — ноль означает отсутствие заряда, а единица его наличие, то, как интерпретировать данные процессора нового вида? Тут и применяется такое загадочное явление, как квантовая запутанность. Суть данного явления заключается в том, что мы получаем пару частиц, которые связаны между собой. Что же это значит? Это значит, что если заряд одной частицы положительный, то заряд другой — отрицательный.



Благодаря данной концепции кубиты превращаются в обычные биты.

 data-mce-src=

Какая же на сегодняшний день самая мощная квантовая ЭВМ? Сегодня самым мощным вычислительным устройством квантового принципа действия является ЭВМ с мощностью в 51 кубит. 51-кубитный компьютер был создан в Гарварде, в ходе совместной научной работы ученых из России и США в 2017-ом году. На сегодняшний день он самый мощный в мире среди вычислительных устройств с квантовым процессором. Кто же изобрел это, без преувеличения, произведение компьютерного искусства? Идея создания принадлежит ученому Михаилу Лукину. Применение же квантовых вычислений для решения задач в области математики предложил еще в восьмидесятых годах ученый Юрий Манин.

Первый компьютер был создан в США и обладал мощностью всего в пять кубит. Компания D-Wawe выпустила компьютер квантового принципа действия D-wawe 2000q. Данное вычислительное устройство по всем параметрам превосходит классические ЭВМ и может составить им достойную конкуренцию. Всемирно известные компании по производству вычислительной техники — IBM и Microsoft также взяли курс на разработку и создание квантовых вычислительных машин. Таким образом, на рынке вычислительной техники формируется устойчивая тенденция к разработкам в сфере квантовых процессоров. И это не удивительно, ведь такой компьютер более мощный и быстродейственный по сравнению с классическим компьютером, а также превосходит его по многим иным параметрам, поэтому имеет ряд преимуществ в сфере применения.

Принцип работы квантового компьютера

Как устроен квантовый компьютер? Устройство квантовой ЭВМ в корне отличается от классического компьютера. Основным принципом работы такого механизма является наличие двух квантовых состояний, в котором пребывают частицы. И в этом состоит отличие данной вычислительной машины от обычной. Как работает данный принцип и каковы его возможности? Если в обычной ЭВМ изменение состояния одного бита не влияет на другие, то в квантовом изменение одной частицы влечет за собой изменение всех. И самое главное, что эти изменения подконтрольны и управляемы. В этом и есть главный секрет быстродействия и мощности принципиально новой вычислительной машины.

При таком раскладе скорость и производительность машины, и многие другие характеристики повышаются в разы, что позволяет решать несколько задач одновременно. По сравнению с данным механизмом, классическая ЭВМ становится просто неконкурентоспособной. Что же такое кубиты, на которых основана работа квантовой ЭВМ? Что это такое простыми словами описать достаточно сложно. Если кратко, то кубит — это квантовый заряд. Это «винтик» квантовой ЭВМ.

Чем кубит отличается от обычного бита? Стоит заметить, что их суть имеет много общего. Обе эти элементарные частицы могут находиться в двух состояниях, но если бит находится либо в состоянии «ноль», то есть отсутствия заряда, либо в состоянии «единица», то есть наличия заряда, то кубит находится в состоянии их суперпозиции, то есть теоретически имеет возможность находиться в обоих состояниях. Меняя свое состояние, кубит меняет состояние и остальных кубитов. В этом еще одно принципиальное отличие от бита, который, меняясь сам, при этом не влияет на своих «собратьев».

Использование кубитов в вычислительных машинах открывает новые горизонты и возможности в эксплуатации ЭВМ. Единственным недостатком квантового компьютера является невозможность его использования в домашних условиях. В чем же причина данной проблемы? Если описывать кратко, то причина невозможности использования квантового процессора состоит в отсутствии благоприятных условий для состояния суперпозиции кубита. Для такого состояния необходимы следующие условия:

  • идеальный вакуум;
  • отсутствие электромагнитных волн вокруг;
  • нулевая температура.

 data-mce-src=

Можно ли создать такие условия дома? Вопрос риторический, поэтому массовое использование таких ЭВМ пока остается всего лишь несбыточной мечтой. Что касается компьютеров D-wawe, которые представлены как квантовые, то они, увы, квантовыми вовсе не являются, так как не используют явление квантовой запутанности. Однако, справедливости ради, стоит заметить, что даже такие устройства превосходят обычные ПК по многим параметрам. Что же такое квантовая запутанность простым языком? Объяснение для чайников будет следующим — это взаимозависимость частиц, исходя из которой, изменение одной частицы неизбежно ведет к изменению другой. В контексте квантовых ЭВМ, изменение одного кубита ведет к изменению состояния остальных, о чем мы говорили ранее.

Когда появятся квантовые компьютеры, адаптированные для домашних условий?

У людей, вдохновленных возможностями квантовых ЭВМ, конечно же, возникнет вопрос: «Когда появятся квантовые компьютеры дома у каждого?». Но на этот вопрос ответа, увы, пока что нет. На сегодняшний день использование таких устройств в домашних условиях невозможно и пока что нет реальных идей для решения данной проблемы. В КНР идут полномасштабные исследования в сфере квантовых ЭВМ, затрачиваются огромные объемы финансов и ресурсов. «Еx oriente lux» (Свет с Востока), возможно, следует ждать из КНР, которая уже сейчас продвинулась в своих научных исследования в сфере квантовых компьютеров.

Но на сегодняшний день идея об использовании квантовых ЭВМ в домашних условиях, увы, остается несбыточной мечтой. Эволюция вычислительных машин неизбежна, как неизбежно рождение новой луны на небосводе. Подобно тому, как на смену старой луне приходит новая, так на смену кремниевым процессорами придут квантовые. А пока что остается довольствоваться классическими кремниевыми процессорами, производительность и скорость которых оставляет желать лучшего.

А у нас есть канал в Яндекс.Дзен

Подписывайтесь, чтобы получать свежие материалы в момент их публикации!

Вопросы к автору

Похожие авторы

Если нашли ошибку, выделите текст и нажмите Ctrl + Enter


Статья полезна?0
В избранное
0 комментариев к статье

Для написания комментария, пожалуйста, авторизуйтесь.

Пока не добавлено ни одного комментария. Будьте первым!

Задать вопрос автору
Задать вопрос
Свернуть
Не более 3-х
МатематикаУдалить

Список вопросов пуст

В это время на главной странице

Сообщите нам об ошибке

Вставить изображение

Графические файлы до 5мб

Пожалуйста, заполните все необходимые поля.

Пожалуйста, подтвердите, что не являетесь роботом.