Квантовые вычисления и квантовые компьютеры (1)

Введение

Предварительное замечание: почему-то иногда квантовые вычисления путают с нейросетями и т.н. «искусственным интеллектом» – это совершенно разные вещи. Квантовые вычисления совершаются не с числами, а с векторами и вероятностями.

Людей, которые работают в области квантовых вычислений, пока лучше не спрашивать о том, когда эти вычисления будут использоваться на практике и когда будет создан первый практически работающий квантовый компьютер. Это будет ещё очень и очень нескоро. То что мы имеем сейчас, больше похоже на первые ламповые компьютеры, или даже более ранние прототипы. До массового использования  квантовых компьютеров пока очень далеко, хотя в Интернете можно прочитать о практических проектах с использованием квантовых компьютеров.

Более того, принцип работы квантового «компьютера» таков, что, строго говоря, его и компьютером-то назвать нельзя. Никому ведь не приходит назвать компьютером бухгалтерские счёты, хотя и компьютер, и счёты, в принципе, делают одно и тоже – вычисляют. Устройство квантового компьютера отличается от обычного бытового компьютера примерно так же, как и устройство компьютера (и даже калькулятора) от счёт.

1

Рис. 1. Квантовый компьютер и обычный компьютер (персональный). 

Проводя далее эту аналогию, можно сказать, что в прогресс в области квантовых вычислений нааходится примерно на той же стадии, на которой находились первые ламповые компьютеры в 50-х годах, либо ещё более ранние их прототипы.

Однако, область квантовых вычислений вызывает интерес не только у научного сообщества. По данным портала Statista, инвестирования в исследования квантовых технологий в 2017 году достигли рекордного уровня в 244 млн. долл.

2

Рис. 2. Рост инвестирций в области квантовых вычислений (синий цвет – объем финансирования в млн. долл., черный цвет – число фондируемых проектов). 

То, что в после 2017 года вложений объём вложений уменьшился, не означает угасающего интереса инвесторов: такие инвестиции осуществляются как правило, на несколько лет вперёд.

История

В 1980 году Физик Пол Бениофф (Paul Benioff) предположил, что процессы квантовой механики могут быть использованы для вычислений.

В 1981 году нобелевский лауреат в физике Ричард Фейнман (Richard Feynman) из Университета Калифорнии, ввёл в оборот термин «квантовый компьютер».

В 1985 году физик Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета разработал принципы квантовых вычислений, по которым строятся первые опытные квантовые компьютеры в наши дни.

В 1994 году математик Пите Шор (Peter Shor) из компании Bell Labs разработал алгоритм шифрования на принципах квантовых вычислений.

В 2007 году, стартап D-Wave из Канады, объявил о создании чипа для квантового компьютера, который может разгадывать головоломки игр Судоку, однако, относительно работоспособности этого чипа до сих пор ведутся споры. В 2013 году Google создал совместную лабораторию с NASA для испытания чипов D-Wave.

В 2016 году компания IBM объявила о создании прототипов квантовых процессоров и предоставил к ним публичный доступ в Интернет, для того чтобы учить программистов писать программы для квантовых компьютеров.

В 2017 году стартап Rigetti приступил к производству оборудования для квантовых компьютеров.

То есть, мы видим, что идея квантовых компьютеров совсем не нова, и была анонсирована около 30 лет назад в Аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory) Министерства энергетики США при Чикагском университете. Считается, что первым ученым, адаптировавшим квантовую теорию к компьютерам, был Пол Бениофф (Paul Benioff) в 1981 году. Он первым теоретически обосновал возможность создания квантовой машины Тюринга (Turing machine). Практически все известные компьютеры используют теорию Тюринга.

Зачем понадобились квантовые компьютеры

В 1947 году, американский компьютерный специалист Ховард Айкен (Howard Aiken) заявил, что всего шесть компьютеров типа ENIAC (один из первых ламповых компьютеров) удовлетворят все потребности в вычислительных задачах в Соединённых Штатах. Он, конечно, не мог предсказать появления Интернета, огромных объёмов данных, порождаемых в научных исследованиях (например, один эксперимент на адронном коллайдере в ЦЕРН порождает эксабайты данных).

Невозможно раз и навсегда установить, что такого-то объёма данных будет достаточно. Т.н. «Закон Мура (Moore’s Law) гласит: что количество транзисторов на чипе процессора в компьютере удваивается примерно каждые 18 месяцев. Это говорит о том, что жизнь заставляет обрабатывать всё большие объёмы информации. Иначе бы не затрачивались средства на разработку всё более мощных процессоров и систем хранения большего объёма.

Однако, прогресс разработки микросхем для компьютеров достиг такой стадии, что примерно к 2030 году размеры одного транзистора, как самого простого элемента на любом вычислительном чипе, сократятся до субатомного уровня.

А это означает, что уже необходим качественный скачок в технологии передачи, хранения и обработки данных, подобный произошедшему в 50-х годах, когда ламповая техника уступила место транзисторной. Это позволило резко снизить размеры вычислительных элементов и в дальнейшем перейти от транзисторов к интегральным микросхемам, каковые сегодня снова упёрлись в потолок своих физических возможностей, несмотря на попытки сделать их объёмными и многослойными.

Следующим логическим шагом как раз и явилось создание квантовых компьютеров, которые работают на уровне атомов и молекул для выполнения задач обработки и хранения данных. Квантовые компьютеры могут выполнять определённые виды вычислений значительно быстрее, чем любой компьютер на кремниевых микросхемах.

Уж создано несколько прототипов квантовых компьютеров для выполнения определённых вычислений, однако, пройдут ещё годы, прежде чем появятся какие-то практические применения квантовых компьютеров.

В последующих публикациях расскажем о том, как работают квантовые компьютеры, о принципах квантовых вычислений и многом другом.

***

quantumcomputingmedium

About Алексей Шалагинов

Независимый эксперт
Gallery | This entry was posted in Квантовые вычисления, Uncategorized and tagged , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.