For what need computational power of the quantum computer?

Для чего же нужна вычислительная мощь квантового компьютера?
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Коротич Алексей Андреевич
Ткаченко Ирина Михайловна, к.т.н., доцент
For what need computational power of the quantum computer?
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Korotich Alexey
Tkachenko Irina, candidate of technical Sciences, associate Professor
This article describes the concept of a quantum computer, the principle of its
operation and the further prospects of its rozviduval over what are quantum
computing, involuntarily shudder, because it is something new and mysterious,
seeming something far away. Actually everything is different, because the
information about quantum computers already flooded all scientific journals and
minds of many physicists-mathematicians. The main reason for the creation of a
quantum computer is that it will promote a deeper understanding of the fundamental
laws of physics. The impression that soon stationary "smaller" brothers will remain at
the Museum. Quantum computing though not replace classic, but still, quantum
computers, if ever they will be created, will solve the problems, which solution is
more efficient from the point of view of operating quantum information.
Еще десять лет назад о квантовых компьютерах не могло идти и речи, однако с
бурным развитием современных технологий, информация о них
распространилась не только среди специалистов в области физики, но и среди
рядовых пользователей. Тема квантовых вычислений стала достаточно
популярна и вызвала множество различных мнений, порой очень сильно
расходящихся с действительностью. Все потому квантовые вычислительные
системы будущего будут обладать вычислительной мощностью в тысячи раз
превосходящей мощность современных суперкомпьютеров, потребляя при этом
на порядки меньшие количества электрической энергии. В настоящей статье я
постараюсь рассказать о квантовых компьютерах и современных разработках в
этой области.
Квантовый компьютер – одно из основных и интересных направлений развития
спиновой электроники. В настоящее время нельзя назвать это устройство
полноценным, а, скорее гипотетическим,
поскольку возможность его
построения связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих
частиц и сложных экспериментов. Идея о квантовых вычислениях впервые
была высказана Ю. И. Маниным в 1980 г. Одна из самых первых моделей
квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году.
Для простоты исследования давайте проведем аналогию с компьютерами и их
способом хранения данных. Обычные компьютеры хранят информацию в
ячейках, которая либо несет электрический заряд, либо нет. Ячейка
соответствует минимальному объему информации - биту, который имеет два
базисных состояния 0 и 1. В квантовых же компьютерах роль такого
"хранилища" выполняет кубит(квантовый бит). Благодаря принципу
суперпозиции кубит может одновременно находиться в двух состояниях.
Таким образом, в двухкубитовом регистре может одновременно находиться
четыре значения, а не из одного, как в случае с битными регистрами [1].
Физическими системами, реализующими кубиты, могут быть любые объекты,
имеющие два квантовых состояния: поляризационные состояния фотонов,
электронные состояния изолированных атомов или ионов, а также
спиновые состояния ядер атомов.
Одной из характерных черт квантовых компьютеров - иной метод организации
исчислений. В традиционных компьютерах исчисления происходят
последовательно, перебирая один вариант за другим, а квантовый компьютер
занимается оценкой всего массива решений, выбирая из него более
правильный. Это позволяет найти не одно, а несколько десятков тысяч
альтернативных решений. Работает он исходя из начальных условий установки
кубитов в нужные состояния.
Поэтому, имея хотя бы в теории конструкцию из N числа кубитов, имеем 2 в
степени N базисных состояний, из которых получается суперпозиция из ровно
такого же числа слагаемых. Квантовый процесс исчислений в системе из N
кубитов одновременно меняет все коэффициенты в суперпозиции. Именно это
одновременное изменение всех слагаемых ведет к параллелизму исчислений.
Это то, что позволит решать сложнейшие задачи в тысячи раз быстрее чем даже
самый современный компьютер.
Для чего же нужна такая вычислительная мощь? И где она сможет пригодиться
рядовому пользователю?
Одна из самых применимых сфер данных вычислений: разложение числа на
простые множители. Алгоритм разложения довольно понятен и прост, его
можно даже реализовать на любом языке программирования, однако не все так
просто - иногда требуется огромное количество времени и значительной
вычислительной мощи, если говорить о нынешних компьютерных системах. А
что имеем с квантовыми старшими братьями? Буквально ничтожное
количество времени для разложения тысячезначных чисел на простые
множители [2].
Для примера: если нам нужно применить алгоритм Шора для разложения
числа, состоящего из N цифр, на простые множители, то для этого понадобится
процессорное время, пропорциональное двойке в степени N. Для реализации
потребуется огромное количество времени. Если же имеем число N больше
тысячи, то время разложения выражается астрономическими числами. А
отсюда и вывод: за разумное время классическим алгоритмом оперирования
данными и с использованием стационарных компьютеров невозможно
разложить большие числа.
Но это не единственное применение квантовых компьютеров, например, для
поиска в базе данных из N элементов нам потребуется время,
пропорциональное N. А с возрастанием базы данных это время будет
увеличиваться с линейной временной сложностью. Квантовый компьютер
запросто найдет элемент в базе за время порядка квадратного корня из числа
элементов N с помощью так называемого алгоритма Гровера. А это достаточно
быстро, по сравнению с обычными компьютерами.
Одним из первых квантовых компьютеров является D-Wave One (DW1),
который впервые дебютировал в мае 2011 года. В его составе насчитывалось
128 квантовых бит, а о мощности говорить и не приходилось, ведь она
превосходила многие суперкомпьютеры в несколько раз. Однако, прогресс не
стоит на месте, и уже в декабре 2012 года представлен новый
процессор Vesuvius для DW, объединяющий 512 кубитов. Тесты, проведенные
в 2013 году показали, что DW1 имеет огромное преимущество(в 3600 раз) по
сравнению с обычным компьютером, но только в не решении одной из задач
класса QUBO. Что касаемо решения многих компьютерных задач, то тут также
наблюдается сильное отставание "младших братьев".
Но такая машина довольно привередлива, и уж точно не годится к
использованию в домашних условиях. Потому что для полной реализации
квантовых эффектов, кубитам необходимы специфичные условия окружающей
среды. Так, их температура в компьютере DW2 составляет 0.02 градуса по
шкале Кельвина, что в 150 раз холоднее, нежели температура в межзвездном
космическом пространстве. Глубина вакуума, в котором находятся кубиты
компьютера в 100 миллиардов раз ниже, нежели атмосферное давление при
стандартных условиях. Благодаря использованию системы защиты, внешнее
магнитное и электрическое воздействие на кубиты снижено в 50 тысяч раз.
Примечательным является тот факт, что для создания сверхнизкой температуры
и глубокого вакуума требуется всего 15.5 киловатт электрической энергии, а
сам компьютер занимает только 10 квадратных метров площади, что
совершенно несравнимо с тысячами киловатт и огромными пространствами,
занимаемыми суперкомпьютерами и сопутствующей инфраструктурой.
Главной проблемой квантового компьютера - взаимодействие кубитов друг с
другом, это "плохое" взаимодействие приведет к сбою и потери когерентности
между состояниями. Сам эффект, обеспечивающий квантовые исчисления и
выполнения вычислительных алгоритмов является очень хрупким, реагируя
буквально на любые помехи. Также и количество кубитов влияет на
вероятность сбоя системы.
Таким образом, попытка воплощения квантового компьютера в жизнь, до сих
пор наводит много шума в современном обществе. И правильно останавливаться на достигнутом не стоит, любое дальнейшее исследование
вытягивает на новый уровень физику и связанные с ней технологии. Заставляет
задуматься о новом уровне, до определенного момента времени недоступном
человечеству. Конечно, задумываться о полной реализации квантового
компьютера еще не стоит ближайшие десятки лет, но постепенное
приближение к "нечто новому" откроет новые законы, и уберет грани между
квантовой теорией и теорией информации. Сейчас же, главной задачей является
подбор инструмента, подходящего для исследования этих квантовых процессов
и их воплощения в квантовых компьютерах, но, мне кажется, это на данном
этапе невозможно.
На мой взгляд, данное творение если и получится воплотить в жизнь, добиться
стабильности и меньших затрат, то эта мощь будет нужна лишь огромным
компаниям, группам ученых-физиков. Квантовый компьютер станет их некой
"игрушкой", с помощью которой будут выполняться задачи, недоступные
рядовому пользователю. Это всевозможные вычисления по законам квантовой
механики для математиков и физиков. Но, а пока, это всего лишь
экспериментальные проекты и чистой воды гипотеза, которая не имеет столь
широкого применения.
Список литературы:
1. Садовничий В.А Квантовый компьютер и квантовые вычисления.- Ижевск, 1999.- С.288.
2. Ожигов Ю. И. Квантовые вычисления. — М.: Макс Пресс, 2003. - С.152.