На днях Microsoft открыла новую квантовую исследовательскую лабораторию в Делфтском технологическом университете в Нидерландах. Квантовая исследовательская лаборатория была открыта королем Виллемом-Александром. Microsoft планирует сотрудничать с QuTech в исследовании вычислительных блоков для квантовых компьютеров.
Что такое квантовые вычисления?
Чтобы разобраться в квантовых вычислениях необходимо ответить на несколько смежных вопросов.
Объяснения от Лео Коувенховена (Leo Kouwenhoven) научного руководителя в Microsoft Quantum Lab.
Что такое квант (quantum)?
Квант — это теория, которая описывает как маленькие частицы себя ведут. Под маленькими частицами подразумеваются атомы. Как два атома связаны между собой и формируют молекулу. Связь между двумя атомами описывается квантовой теорией. На данный момент нет другой теории, которая бы описывала поведения маленьких частиц.
Связь между атомами очень интересна, которая противоречит здравому смыслу. Дело в том, что у двух атомов есть один электрон, который, по идее, должен быть либо у одного атома, либо у другого, но он находится у двух атомов одновременно.
Такое одновременное нахождение электрона у двух атомов в одно и то же время называется суперпозицией.
В нашей реальности есть очень много вещей, которые можно понять только благодаря понятию суперпозиции.
Например, простой вопрос, который задают дети: «Почему трава зеленая?». Или понятие фотосинтеза, когда под воздействием света происходят химические процессы и высвобождается кислород. Эти простые, на первый взгляд процессы, по сути являются квантово-механическими, которые используют суперпозиции.В классических вычислениях мы не используем суперпозиции. Информация кодируется в нули и единицы, но нет такой кодировки, как кодировка в суперпозиции нулей и единиц. Классические компьютеры позволяют делать много различных вычислений, только не квантовых вычислений. Классический компьютер просто не подходит для решения квантовых проблем.
Что такое квантовые проблемы?
Все на земле связано суперпозициями Когда мы хотим что-то сделать, что поможет нам более эффективно использовать природные ресурсы, или когда мы хотим исцелиться от болезни, мы вызываем какой-то химический процесс, например, принимаем лекарство. Таблетка вызывает определенные химические процессы в теле и мы исцеляемся от болезни.
Проблема в том, что на данный момент мы не знаем как рассчитать эти процессы. Мы не знаем как спрогнозировать, как моделировать эти процессы в природе, в биологических системах (тело человека — биологическая система прим. ред.). Поэтому мы просто пробуем и смотрим работает, или нет, такой вот метод проб и ошибок.
Квантовый компьютер должен помочь решать данные проблемы не методом проб и ошибок, а на фундаментальном уровне. Если вы хотите сделать батарею, квантовый компьютер поможет рассчитать как сохраняется энергия на уровне молекул и атомов. Если мы сможет это сделать, мы сможем извлечь энергию из батареи со 100% эффективностью.
Что нас ждет в будущем?
Все еще много фундаментальных вопросов относительно квантовых компьютеров. Никто раньше этого не делал. На данный момент не известно, что сможет сделать квантовый компьютер в больших масштабах. Есть определенный набор проблем, где использование квантовых компьютеров будет революционным. Проблемы, которые не решаются классическим компьютером будет решаться квантовым, однако, предсказать, что он смоет в больших масштабах пока слишком рано.
Квантовые блоки в квантовых вычислениях
Лео, в своем рассказе, очень много внимания уделял вопросу непредсказуемости поведения квантовых компьютеров при увеличении масштабов. Дело в том, что производительность квантового компьютера увеличивается несколько иначе, нежели в традиционных.
Классические компьютеры сохраняют информацию в битах (ноль или один), квантовые — в квантовых битах, или кубитах (Qubits). Кубиты позволяют сохранять значительно более сложною информацию нежели обычные биты. Каждый кубит, добавленный в компьютер увеличивает производительность в два раза. Как результат — экспоненциальное увеличение производительности. Задачи, которые решались бы миллиарды лет можно будет решить за часы. Такие вычисления позволили ли не просто продвинуться уже в банальных (относительно конечно) вещах как создание искусственного интеллекта, но и ответить на фундаментальные вопросы о вселенной.
Сложность в том, что добавлять таким образом кубиты очень сложно и небольшая ошибка сможет привести к разрушению всей системы. Сейчас создание вычислительных блоков похоже на построение башни, когда добавление каждого последующего блока становиться сложнее просчитать, а ошибка в просчетах приведет к падению всей конструкции.
