<<
>>

Квантовые вычисления: революционная теория и сложности реализации

Если нам удастся построить стабильный и мощный квантовый компьютер, то у этой технологии появится шанс стать самой новаторской среди технологий Четвертой промышленной революции. Но это случится не сразу.

Квантовые компьютеры меняют сам принцип вычислений, используя причудливые законы квантовой механики. Вместо применения транзисторов, в основе которых лежат бинарные значения, представляющие нули и единицы (биты) и используемые классическими компьютерами для хранения информации и выполнения различных операций, в квантовых компьютерах применяются квантовые биты, или кубиты. В отличие от обычных битов, которые способны принимать только значения «1» или «0», значение кубита представляет собой суперпозицию возможных состояний и заранее может быть известна только вероятность, с которой можно получить то или иное значение при его измерении. Это позволяет кубитам в каждый момент времени представлять несколько состояний.

Еще одно удивительное свойство материи на квантовом уровне – квантовая сцепленность, которая подразумевает, что несколько кубитов, находящихся в этом состоянии, могут быть связаны и измерение квантового состояния одного из них позволяет получить информацию о состоянии остальных кубитов.

Таким образом, в квантовых компьютерах могут применяться квантовые алгоритмы, создающие вероятностные обходные пути, что позволяет получать приемлемые решения сложных математических задач. Для решения этих же задач на классических цифровых компьютерах потребовалось бы слишком много времени. Пример такой задачи – разложение больших чисел на простые множители. Работа многих современных приемов шифрования основана на том, что для выполнения этой задачи классическим компьютерам требуется очень много времени. К другим примерам можно отнести решение задач оптимизации со многими переменными – обычно это задачи по повышению коэффициента использования производственных мощностей, оптимизации складского хозяйства или поиску в огромных неструктурированных базах данных{79}.

Квантовые компьютеры могут также моделировать другие квантовые системы, например отражать поведение атомов и частиц, и делать это точнее, а также с учетом необычных условий, например тех, что существуют внутри Большого адронного коллайдера. К примеру, квантовое моделирование на квантовых компьютерах позволит легко рассчитать взаимодействие молекул – для классических компьютеров это очень сложная задача. Эти расчеты – ключ к созданию еще более совершенных материалов, экологически чистых устройств и новых медикаментов. Поэтому реализация квантовых вычислений станет движущей силой многих фундаментальных технологий и систем Четвертой промышленной революции.

Но есть одна существенная оговорка. В теории квантовые компьютеры существуют уже более 30 лет – с того времени, когда Ричард Фейнман (Richard Feynman) предложил их в 1982 году, но их революционный потенциал все так же остается в теории, потому что построение универсального квантового компьютера – исключительно сложная инженерная задача. Для создания и поддержки кубитов необходимы стабильные системы в экстремальных условиях, в частности, компоненты должны находиться при температурах, очень близких к абсолютному нулю{80}. В лучших современных квантовых компьютерах очень немного кубитов (у квантового компьютера корпорации IBM всего пять кубитов) или практических применений (квантовые компьютеры компании D-Wave Systems, в которых применяется принцип квантового отжига), большинство из которых ограничены мощностью и типом решаемых задач. Тем не менее налицо достаточно быстрый прогресс, и уже можно говорить о практическом потенциале квантовых компьютеров. Развивается и теоретическая база, предлагаются новые идеи в области квантовых алгоритмов и на совершенно новом направлении – в области квантового машинного обучения.

После устранения физических и инженерных сложностей с реализацией квантовых вычислений возникнут новые проблемы, наиболее важными из которых станут доверие и безопасность. Чтобы взломать 2048-разрядный сертификат протокола TLS (Transport Layer Security), который используется в веб-браузерах для подключения к банковским личным кабинетам и электронной почте в Интернете, современным классическим компьютерам потребуется 13 млрд лет.

А вот компьютер с квантовым затвором, вооруженный разработанным в 1994 году математиком Питером Шором (Peter Shor) алгоритмом, справится с этой задачей со скоростью, которая сведет на нет все преимущества современных криптографических механизмов{81}. Нам придется переосмыслить стандарты, которые сейчас применяются в онлайновых транзакциях и в других средствах безопасного хранения информации. Это потребует от нас продолжения работы над совершенствованием существующих приемов, чтобы сделать их устойчивыми ко взлому с помощью квантовых компьютеров, а также чтобы задействовать квантовые эффекты для создания новых форм квантовой криптографии.

Вряд ли квантовые вычисления когда-либо полностью вытеснят классические компьютеры. У использования квантовых эффектов меньше важных практических преимуществ, когда речь идет об удовлетворении львиной доли современных потребностей в вычислениях, – они полезнее в узких областях, а именно в математике и химии. Более того, современные представления о физике не дают оснований предполагать, что квантовые компьютеры когда-либо станут дешевле и меньше классических компьютеров. Несмотря на возможность фундаментальных перемен, использование сложных квантовых эффектов скорее всего останется уделом специализированных и очень дорогих вычислений – по крайней мере до начала Пятой промышленной революции.

<< | >>
Источник: Клаус Шваб, Николас Дэвис. Технологии Четвертой промышленной революции. 2018

Еще по теме Квантовые вычисления: революционная теория и сложности реализации:

  1. Филип Котлер, Фернандо де Бес. Латеральный маркетинг: технология поиска революционных идей, 2010
  2. 2. Проводите революционные изменения, а не пытайтесь кое-как подремонтировать здание
  3. Простота и сложность
  4. Особая сложность
  5. Избегайте лишних сложностей
  6. 8.1. Три уровня сложности в продвижении сайта
  7. Современная теория потребительского поведения и «новая» теория производства
  8. 5.4. Вычисление отклонений и их анализ
  9. Формулы для вычисления цен опционов
  10. Требования к информации при вычислении индексов
  11. Вычисление казначейских нулькупонных ставок
  12. Вспомогательные вычисления
  13. Вычисление ADX
  14. Вычисление ожидания (немного математики)
  15. Сложность учитываемых фактов хозяйственной жизни, которая требует для их правильного оформления высокой квалификации исполнителей
  16. Пример праксеологического исследования явления «стремление человека к простоте, к бегству от сложности»
  17. Вычисление направленного движения ( DM - Directional Movement)
  18. Основы финансовых вычислений. Начисление простых процентов
  19. Глава 10. ОСНОВЫ ФИНАНСОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ПО ОПЕРАЦИЯМ НА РЫНКЕ ЦЕННЫХ БУМАГ