Введение для программистов

Современные компьютеры не повышают эффективность, решая сложные задачи лучше, чем люди. Они работают, разбивая сложные задачи на множество простых задач; Преимущество компьютеров в том, что они могут выполнять эти мелкие задачи намного быстрее, чем мы. Ограничение классических компьютеров состоит в том, что эти задачи должны выполняться последовательно, поэтому по мере увеличения сложности проблемы или размера базы данных время, необходимое для достижения решения, увеличивается вместе с ним. Во многих случаях (которые часто представляют собой серьезные рубежи в научных исследованиях или технологических инновациях) масштаб проблемы математически невозможно решить даже самым мощным из суперкомпьютеров в течение нескольких жизней. Квантовые вычисления обладают способностью преодолевать эти ограничения, создаваемые последовательными задачами, за счет использования некоторых из наиболее интересных аспектов квантовой механики: суперпозиции, запутанности и интерференции.

- КАК ЭТО РАБОТАЕТ -

Чтобы объяснить эти явления, давайте сначала сделаем шаг назад. Когда мы говорим, что компьютер разделяет сложные задачи на простые, какую задачу можно выполнить проще всего? Выбор между двумя вариантами («A или B», «True или False», «орел или решка»), которые являются бинарными проблемами. В вычислениях двоичный код (представленный как `` 1 или 0 '') буквально связывается с переключателями в схемах компьютера как `` включен или выключен ''. Теперь, хотя эти двоичные `` решения '' или биты информации могут передаваться в невероятно быстрой последовательности , их все равно нужно читать один за другим. Квантовый компьютер может использовать более эффективный подход. Квантовая эквивалентность биту - это кубит, по сути частица, которая «загружена» информацией, которую можно измерить.

В то время как бит (или классическая частица) должен существовать в одном бинарном состоянии или другом, кубит может существовать в квантовом состоянии, называемом суперпозицией, в котором он по существу существует в обоих состояниях одновременно. Теперь, поскольку квантовая механика в значительной степени является игрой вероятностей, шансы нахождения кубита в состоянии A или состоянии B могут составлять 50/50, но это может быть 70/30, 10/90 или любая пара процентов. Из-за этого вы также можете представить себе положение кубита, существующего на спектре или на поверхности сферы с состояниями A и B на противоположных полюсах. В любом случае суперпозиция - это квантовое свойство, которое позволяет частице находиться в нескольких положениях одновременно, то есть одновременно существует несколько возможностей. С точки зрения поиска решения проблемы это означает, что кубит может следовать по нескольким маршрутам одновременно, тогда как бит должен следовать по одному.

Таким образом, в случае алгоритма Дейкстры для поиска наиболее экономичного маршрута к пункту назначения, вместо изучения каждого возможного пути по отдельности (что ограничивается классическими компьютерами), кубит в суперпозиции может анализировать несколько возможных путей одновременно, достигая лучшее решение намного быстрее. По мере усложнения решения проблемы или увеличения количества входных данных время выполнения классических вычислений резко увеличивается. Однако квантовый расчет может масштабироваться в зависимости от сложности проблемы и становится сравнительно более эффективным.

Но время является серьезной проблемой, когда дело доходит до использования суперпозиции квантовых частиц, поскольку это свойство нарушается, когда кубит вступает в контакт с любым аспектом устройства (а), используемого для его измерения. Это связано с физическим законом, известным как эффект наблюдателя. Хотя частица одновременно проявляет как волнообразное, так и частичное поведение, при измерении она регистрирует только одно или другое поведение. Кроме того, то, что из двух будет записано, зависит от того, какое наблюдение проводится. Это создает некоторую проблему, когда дело доходит до выяснения, какую информацию кубит несет в своем квантовом состоянии.

Второе физическое свойство квантовой механики и, вероятно, самое странное, - это то, что мы можем использовать для преодоления проблемы эффекта наблюдателя: запутанность. Физики наблюдали (и доказали) это явление, при котором две частицы могут необъяснимым образом соотноситься друг с другом, независимо от расстояния. Другими словами, они мгновенно передают и отражают квантовые свойства друг друга, без какой-либо известной среды или сигнала. Используя это зеркальное отображение, компонент наблюдения компьютера может просто наблюдать одну частицу, которая остается дома и демонстрирует коррелированную информацию от своего запутанного партнера (ей), который без помех исследует возможные пути решения. Теперь манипулируйте несколькими (или десятками) кубитов в одном запутанном состоянии, и у нас есть сеть, которая может исследовать 2 ^ n (где n - количество кубитов в сети) одновременно, одновременно мгновенно объединяя свои выводы друг с другом. .

Итак, что эта сеть может сделать с общей информацией, которую она несет, для достижения решения? Ответить на это помогает третий физический аспект квантовой механики. Интерференция - это свойство волнового поведения частиц. Когда две волны находятся «в фазе», то есть их гребни и впадины совпадают, они дополняют друг друга и усиливают общую волновую структуру. Это конструктивное вмешательство. Деструктивная интерференция возникает, когда две волны находятся в противоположных положениях в волновой структуре (в противофазе), таким образом подавляя или даже нейтрализуя друг друга. Поэтому, когда более одного кубита находятся на правильном пути к решению, их состояния будут усиливать поведение друг друга, что говорит о том, что информация, которую они несут, является решением, которое ищет система.

- ГДЕ МЫ ТЕПЕРЬ? -

Есть еще серьезные препятствия, которые необходимо преодолеть, чтобы максимизировать потенциал этих квантовых сетей. Хотя квантовые компьютеры достаточного размера могут решать вычислительные задачи намного быстрее, чем классические компьютеры (известное как квантовое преимущество), при нынешнем размере крупнейших стабильных квантовых систем эти решения коммерчески бесполезны. Так что просто увеличивайте масштаб, правда?

Добавить кубиты в запутанную систему на самом деле очень сложно, потому что сеть очень хрупкая. Запутывание первой пары кубитов в системе квантовых вычислений было выполнено в 1998 году совместными усилиями IBM, Оксфорда, Беркли, Стэнфорда и Массачусетского технологического института. Двадцать лет спустя Google установил рекорд самого большого действующего квантового чипа - всего 72 кубита.

Хотя запутанность дает нам решение (по крайней мере, частично) для эффекта наблюдателя, нарушение необходимого квантового состояния все же происходит и ограничивает полезный срок службы квантовых свойств. Если квантовая система не сможет достичь решения до того, как оно выпадет из суперпозиции в состояние, называемое «декогеренцией», весь процесс потерпит неудачу. Таким образом, хотя потенциальная вычислительная мощность увеличивается с увеличением количества кубитов в сети, этот потенциал бесполезен, если мы не можем уменьшить вероятность того, что внешние элементы выбьют кубиты из состояния суперпозиции. Текущие попытки снизить этот «коэффициент ошибок» заключаются в использовании лазеров, магнитных полей и сверхпроводников для создания условий, которые увеличивают продолжительность жизни квантового состояния (продолжительность жизни, которая измеряется в микросекундах). По мере увеличения количества ошибок определенные пороги позволят совершить дальнейший прорыв в наблюдении за поведением системы и разработке квантовых алгоритмов на основе этих наблюдений. Некоторые из ключевых игроков отрасли уже предоставляют общий доступ к своим квантовым вычислительным сетям через облако, чтобы демократизировать процесс исследований и разработок этих систем. Как только будет достигнут достаточный прогресс и будет достигнута стабильная сеть кубитов достаточного размера и с низким коэффициентом ошибок, квантовые компьютеры (теоретически) смогут не только гораздо быстрее решать классические задачи, но и иметь возможность решать проблемы, которые классические машины просто не могу решить вообще. Эта веха называется квантовым превосходством и считается точкой, в которой открываются пресловутые шлюзы для этой области, и теоретическая информатика переворачивается с ног на голову. Однако есть некоторые заявления о том, что превосходство невозможно, потому что определенные физические законы и теории просто не позволяют масштабировать до такой степени.

- ЧТО ВОЗМОЖНО? -

Как только превосходство будет достигнуто, а это может произойти еще через несколько лет (если это вообще возможно), достигнутые вычислительные мощности откроют понимание сложных проблем во многих областях исследований и технического прогресса. Мало того, что выполнение запросов к массивным и сложным наборам данных будет намного более эффективным, продвигая область машинного обучения с беспрецедентной скоростью, но значительно улучшенная способность запускать моделирование для определенных сложных молекулярных структур и их поведения может революционизировать прорывы в медицине. Такие возможности моделирования также можно использовать для максимального повышения энергоэффективности в различных отраслях и технологиях; это преимущество приходит в дополнение к тому, что квантовые вычисления сами по себе более энергоэффективны для решения классических задач в большом масштабе. Квантовые компьютеры не заменят классические компьютеры (и многие потребности классического программирования); вместо этого они будут в основном использоваться в сочетании с современными машинами. Однако пара областей, вероятно, кардинально изменится. Темпы прогресса и будущие возможности для развития ИИ и машинного обучения, вероятно, резко увеличатся в сочетании с мощью квантовых вычислений. Кибербезопасность почти наверняка переместится в основном (если не полностью) в квантовые технологии, поскольку считается, что даже лучшие классические методы шифрования, доступные сегодня, легко взломать квантовые системы, которые мы ожидаем увидеть в следующем десятилетии или около того. Это конкретное преимущество (хотя их много), вероятно, является самым большим движущим фактором в сегодняшней гонке за квантовое превосходство.