Илья Филимоненков
3 августа 13:15.
580

Квантовый компьютер – объясните для «чайников»?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
3
1 ответ
Поделиться

Квантовый компьютер

Некоторые ученые считают, что законы квантовой физики могут описывать, как работает мозг. Если ученые смогут   описать математически этот механизм , тогда  эти  знания будут использованы для развития искусственного интеллекта. Квантовый компьютер является одним из первых этапов этого пути.

Есть много выдающихся ученых, которые работали над этой идеей в течение нескольких десятилетий. Венгерский математик Дж. Фон Нейман был первым, кто обратил внимание на возможность разработки квантовой логики. Кроме того, Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике, считал, что квантовые вычисления - очень перспективная область науки и вдохновил многих специалистов на изучение этого метода расчетов. Дэвид Дойч, британский физик из Оксфордского университета, разработал теоретическую модель квантового компьютера. Питер Шор, выдающийся американский ученый, предложил квантовый алгоритм, который вызвал большой практический интерес различных разведывательных служб. Американский математик Л. Гровер создал квантовый алгоритм быстрого поиска в нерегулируемой базе данных.

Как работает квантовый компьютер? Квантовый компьютер - это вычислительное устройство, которое хранит и обрабатывает информацию на уровне отдельных атомов и элементарных частиц. Квантовая физика - лучший способ математически описать физические явления, которые происходят  на  субатомном уровне. Элементарные частицы постоянно взаимодействуют и влияют друг на друга; их положение и свойства меняются , поэтому без наблюдения мы можем определить только вероятность их потенциальных состояний. При наблюдении, субатомная физическая система подвергается внешнему влиянию, каждая из элементарных частиц и целая система приобретают конкретные свойства-  характеристики. Вероятностные свойства  сворачивается (коллапсируют),  и каждый элемент этой системы выбирает определенное состояние. Существуют математические формулы, которые описывают этот процесс с высокой точностью. Мир элементарных частиц подчиняется принципу квантовой неопределенности и может быть описан, в частности, с помощью  волновой функции и  принципа суперпозиции. Согласно вышеуказанному принципу  субатомная частица может восприниматься как существующая в нескольких состояниях одновременно.

Трудно воспринимать и понимать квантовую физику с помощью обычного мышления. Но одна аналогия может помочь проиллюстрировать эту теорию простым способом. Представим себе человека, у которого есть две перчатки: справа и слева. Он кладет каждую перчатку в отдельную коробку: правая перчатка помещается в первую коробку, а левая перчатка - во вторую , не показывая вам, какая перчатка находится в какой коробке. Другими словами, вы не знаете, в какой коробке находится какая перчатка.  Затем этот человек просит вас определить, какая перчатка лежит в какой коробке. Вероятность того, что либо левая, либо правая перчатка находится в первой коробке, равна 0,5. То же самое верно для второй перчатки. Сумма вероятностей всегда равна единице. Следовательно, для вас обе и левая и правая перчатки существуют в двух состояниях одновременно в каждой из двух коробок . Открывая только одну из двух коробок, вы  разрушаете неопределенность путем наблюдения (или, как говорят физики, «путем измерения»). Если вы найдете левую перчатку в первой коробке, это означает, что правая перчатка должна быть во второй коробке. Другими словами, вам не нужно открывать вторую коробку, чтобы определить, какая перчатка в ней лежит. Сделав наблюдение (измерение) первой коробки, вы можете узнать, какая перчатка находится во второй коробке, как- будто вы открыли ее.

Давайте перейдем к компьютерам. Обычные компьютеры хранят информацию в определенных ячейках;  каждая из которых  имеет или  не имеет  электрический заряд. Каждая ячейка  соответствует минимальному количеству информации. Бит может принимать значение либо 0, либо 1. Хорошим примером бит является электрический выключатель лампы, значение которого равно либо 0 (лампа выключена), либо 1 (лампа горит).

Квантовый компьютер хранит информацию в кубите (квантовый бит). Как объяснялось ранее, работа квантового компьютера основана  на  квантовой теории. Перед измерением кубит может существовать в двух состояниях одновременно: 0 и 1 с определенной степенью вероятности. Помните перчатки и коробки? Проводя аналогию, мы можем предположить, что кубит - это поле. Два возможных состояния кубита аналогичны двум возможным состояниям перчаток.

Как в классических, так и в квантовых компьютерах биты и кубиты объединены в большие единицы памяти , регистры. Обычный двух битовый регистр может принимать четыре значения - 00, 01, 10 или 11, но только один из них в любой момент времени. Но в двух кубитовом  регистре все четыре возможных значения существуют одновременно. Фактически, регистр с размером N кубитов может одновременно иметь 2n значений.

Важно понимать, почему квантовые вычисления более эффективны для конкретных вычислений, при которых  одновременно обрабатываются  большие объемы информации. Представим себе, что нам нужно выполнить 100 логических операций со 100 битами информации. В обычном компьютере нам потребуется одна единица времени для выполнения каждой логической операции. Таким образом, весь процесс займет 100 единиц времени для завершения работы. Однако в квантовом компьютере все 100 кубитов информации могут обрабатываться за одну единицу времени, потому что все кубиты взаимодействуют друг с другом одновременно, а не дискретно. Итак, этот пример иллюстрирует, как квантовые вычисления могут увеличить скорость вычисления в сто раз. Такие операции будут полезны для задач определенных типов, например, для поиска требуемых данных в очень большой базе данных, содержащей единые записи.

Сегодня существуют прототипы квантовых компьютеров. Однако они все еще имеют только небольшие регистры, которые состоят из нескольких квантовых бит. К сожалению, существующие системы не способны обеспечить надежные вычисления, поскольку они либо плохо контролируются, либо очень чувствительны к шуму. Однако никаких физических ограничений на построение квантового компьютера нет. Разработчикам необходимо только преодолеть некоторые технологические трудности.

Источник:

self-knowing.com

http://video.mit.edu/watch/explained-quantum-computing-26355/

https://www.youtube.com/watch?v=g_IaVepNDT4

-1
Прокомментировать
Ответить