Резюме
- Квантовое превосходство достигается, когда квантовый компьютер может решать задачи, невыполнимые для классических компьютеров из-за ограничений по времени.
- Квантовые компьютеры отличаются принципом работы, используя кубиты, которые могут одновременно представлять единицу и ноль.
- Достижение квантового превосходства произведет революцию в различных отраслях и сделает нынешнее шифрование неэффективным.
С каждым днем квантовые компьютеры становятся все ближе к тому, чтобы стать практическими компьютерами, которые можно будет использовать в различных отраслях и сферах жизни, но к чему на самом деле стремятся ученые и инженеры? Когда эти компьютеры будут готовы?
Одной из мер является «квантовое превосходство». Как только квантовое превосходство будет продемонстрировано, оно откроет век квантовых компьютеров по-настоящему, но что означает для квантовых компьютеров превосходство?
Понимание квантового превосходства
В принципе, квантовое превосходство — это то, что должно быть продемонстрировано на «классических» компьютерах. То есть, на компьютере, который вы используете прямо сейчас, чтобы это прочитать. Он использует двоичную логику для выполнения вычислений. По своей сути, это все единицы и нули.
Квантовый компьютер обладает «квантовым превосходством», когда он может выполнять вычисления, которые непрактичны для классического компьютера, поскольку они слишком долго не будут полезны. Мы знаем из Алана Тьюринга Универсальная машина Тьюринга что вы можете вычислить ответ на все, что вы можете выразить математически с помощью классического компьютера. Просто для вычисления ответа может потребоваться в несколько тысяч раз больше времени, чем возраст Вселенной!
На самом деле сейчас самое время остановиться и посмотреть краткое объяснение универсальных машин Тьюринга от канала Computerphile.
Кажется нелогичным, что такая простая машина может эффективно вычислить любой алгоритм, но математика была проверена людьми, которые на порядки умнее меня, так что, полагаю, мне придется поверить им на слово.
Таким образом, суть превосходства заключается в демонстрации того, что квантовые компьютеры могут решать определенные задачи, которые классические компьютеры также могут решать, но не могут решить для практических целей.
Чем отличаются классические и квантовые компьютеры
Как квантовые компьютеры (в теории) могут, казалось бы, пропустить всю эту работу и получить ответ намного быстрее, чем классический компьютер? Все сводится к тому, как работают эти разные компьютерные системы.
Классический компьютер обрабатывает информацию в виде двоичного кода. Все в компьютере сводится к данным, представленным каким-либо образом как единица или ноль. Из этих единиц и нулей мы можем построить коды манипуляции символами. Например, если у вас есть восемь бит (двоичные цифры), у вас есть 256 возможных перестановок единиц и нулей. Это означает, что вы можете представить 256 чисел, каждое из которых может что-то обозначать. Существует 128 стандартных символов ASCII, представленных семибитным двоичным числом. Расширенный восьмибитный набор ASCII содержит 256 символов.
По мере увеличения длины бита вы экспоненциально увеличиваете количество значений, которые вы можете представить, поэтому 32-разрядный компьютер может адресовать только 4 ГиБ оперативной памяти, а 64-разрядный компьютер может адресовать (теоретически) 16 Эксабайт оперативной памяти.
Это действительно полезно, поскольку вы можете представить эти два состояния множеством способов, например, в виде напряженности магнитного поля на ленте, углублений и площадок на компакт-диске или уровней электрического заряда внутри процессора или ячеек памяти твердотельного накопителя.
Квантовые компьютеры принципиально отличаются от классических компьютеров. Вместо двоичных цифр, называемых битами, они используют квантовые цифры, называемые «кубитами». Кубит использует квантовые явления и может быть единицей или нулем одновременно. Поскольку каждый бит находится в «суперпозиции», квантовый компьютер может вычислять все возможные ответы одновременно. Затем, когда вы измеряете значение кубитов, они коллапсируют в правильный ответ.
Да, я тоже не совсем понимаю, как это работает.
Тем не менее, основываясь на том, как они работают, и на том, что они, как было показано, работают, эти квантовые компьютеры имеют потенциал вычислить за секунды то, на что самым быстрым классическим компьютерам в мире потребовались бы миллионы лет и энергия нашей солнечной системы. Так почему же они уже не являются высшими?
Ну, во-первых, кубиты невероятно хрупкие, и их число должно быть значительно увеличено, чтобы квантовый компьютер был действительно полезен. Существующие квантовые компьютеры имеют лишь горстку кубитов и годятся разве что для доказательства работоспособности концепции.
Главное, над чем работают ученые и инженеры, — это создание надежных кубитов, выяснение того, как втиснуть как можно большее их количество в квантовый компьютер и, возможно, заставить все это работать при комнатной температуре.
Заявления о квантовом превосходстве спорны
В 2019 году Google заявила, что ее 53-кубитный процессор Sycamore достиг квантового превосходства, решив сложную задачу за 200 секунд — задача, на которую, по их оценкам, у самого мощного в мире классического суперкомпьютера уйдут тысячи лет. Это касалось одной конкретной проблемы, известной как «случайная выборка цепей», а не общего превосходства.
IBM, лидер как в области классических, так и квантовых вычислений, утверждает, что ее классические суперкомпьютеры могут, при грамотной оптимизации, решить ту же задачу гораздо быстрее, чем предполагали первоначальные оценки Google, что ставит под сомнение достижение настоящего превосходства.
Интересно также, что возникло сопротивление термину «превосходство», который, по мнению некоторых ученых, имеет проблемный подтекст, который без нужды вызывает не связанные с этим социальные проблемы, основанные на расе или этнической принадлежности. Вот почему некоторые люди предпочитают использовать «квантовое преимущество» для обозначения того же самого, но вы найдете использование обоих терминов повсюду.
Что происходит, когда мы достигаем настоящего превосходства?
Так что же произойдет, когда квантовые компьютеры наконец соберутся с силами и смогут решать проблемы, которые требуют слишком много времени и слишком дороги для современных компьютеров? Правда в том, что мир, вероятно, изменится в некоторых глубоких отношениях, и это без учета того, как недавняя революция в области ИИ уже снесла двери некоторым проблемам, таким как предсказание практически каждой структуры белка, которую мы можем себе представить.
Самая большая из них, о которой, вероятно, слышали все, заключается в том, что все наши нынешние сильные шифрования станут бесполезными в одночасье. Эти алгоритмы шифрования работают по принципу, что они быстры и дешевы в применении с использованием классического компьютера, но их взлом займет тысячи или миллионы лет.
Ну, квантовый компьютер с достаточным количеством кубитов мог бы открывать эти виртуальные замки, как будто их там нет. Конечно, мы уже разработали методы постквантового шифрования, которые даже квантовым компьютерам трудно взломать, в теории. Тем не менее, много данных будут взломаны задним числом, и это может быть плохо по очевидным причинам.
Хотя ИИ проделал колоссальную работу по ускорению материаловедения и медицинских исследований, квантовые компьютеры могли бы еще больше усилить эти возможности, помогая нам быстро находить новые лекарства и другие химические вещества.
Говоря об ИИ, добавление в систему нескольких кубитов может по-настоящему вывести на новый уровень ментальные состояния наших лучших на сегодняшний день ИИ, позволив им практически мгновенно рассматривать огромное количество возможностей.
Если ничего другого, квантовые компьютеры, скорее всего, будут превосходны в логистике, делая наше использование энергии и ресурсов намного более эффективным, и, возможно, избавляя нас от пробок навсегда. Вот это причина, по которой, я думаю, мы все можем отстать.
