Все мы привыкли к двоичному коду. Фильмы, игры, картинки, практически вся информация, хранящаяся на наших устройствах и даже искусственный интеллект, все представлены в виде битов, двоичных единицах, которые могут быть либо единицей, либо нулём. Но почему именно два значения? Можем ли мы добавить больше?

На самом деле, да. Добавив третье значение, мы получим троичную систему и превратим биты в триты. То есть каждая единица информации будет принимать одно из уже трёх значений: ноль, единица или двойка. Повлияет ли это на эффективность наших компьютеров? Да, повлияет.

https://youtu.be/NIq0dOAJZ-Y

Троичная логика сильно увеличит объем информации, с которой может работать процессор, то есть повысит диапазон чисел. Помимо этого, также улучшится эффективность процессора из-за уменьшения количества бесполезных операций и логических элементов.

Но почему мы до сих пор сидим на двоичных вычислениях? Где применяется троичная логика? Как она прокачала Базы данных? И при чем тут квантовые компьютеры?

Основная Часть

Вспомним двоичную логику. Перед разбором троичной логики, давайте вспомним как работает её младшая — двоичная версия. Двоичная логика состоит из логических операторов. По сути, это функция, которая принимает один или два входящих логических сигнала и выводит результат. Комбинация этих операторов (их еще называют вентили) и логических сигналов дает логическое выражение.

Например, возьмём выражение с двумя значениями A и B. И A, и B могут принимать значения 0 или 1, True или False. Теперь, чтобы получить решение нашего выражения, нам нужен правильный вентиль.

Есть три базовых оператора: NOT, AND и OR.

NOT инвертирует значение на противоположное, то есть NOT 1 — это 0, и наоборот.

Вентиль AND работает следующим образом. Допустим, у нас на столе стоит много кружек с водой. Каждая кружка либо наполнена, либо пуста. Полная кружка это 1, пустая — 0. Если поставить между кружками вентили AND, то финальным ответом выражения будет 1, если все кружки окажутся наполненными, и 0, если хотя бы одна пуста.

AND, по сути, берет минимальное среди имеющихся значений. Если хотя бы одно значение равно 0, то ответ 0, если нет, то ответ — 1. Как правило, найдя хотя бы один ноль, мы может игнорировать остальную часть выражения, так как результат всё равно будет ноль.

Если AND — это минимальное значение, то OR — максимальное. Возьмём наше выражение с кружками, но заменим все вентили AND на OR. Теперь только одна полная кружка уже даст ответ 1. Если хотя бы одно значение это 1, то результат 1, в другом случае результат 0. То есть мы всегда берём максимальное значение.

Вернемся к нашим значениям A и B. Допустим, A это 1, а B это 0. В данном случае наши вентили будут выглядеть следующим образом.

Теперь, когда мы вспомнили принцип работы двоичной логики, давайте взглянем на троичную. Чем она отличается? И главное — зачем вообще биту третье значение?

Начнём с истоков. Автор первой троичной логики — польский философ Ян Лукасевич, описавший троичную логику в 1920-м году. Лукасевича смотивировала проблема морского боя Аристотеля. Работает она следующим образом. Возьмём фразу: “Через год Apple выпустит умный холодильник” Что можно сказать об этом утверждении?

Оно не является правдой и не является ложью, так как мы просто можем не знать, что произойдет через год. Соответственно, имея только два варианта ответа — истина и ложь — мы не сможем дать правильный ответ. Чтобы разобратся с этим, Лукасевич решил ввести третье значение в двоичную логику — неизвестно, означающее, что в данный момент времени, мы не можем дать точный ответ на вопрос. Но как же третье значение работает с True и False? Сейчас объясним.

Принцип работы троичной логики Клини

В троичной логике дополнительное значение является либо True, либо False, но в данный момент выяснить, чем именно невозможно, поэтому оно обозначено U, то есть Unknown.

Возьмём за пример выражение “Я ем дошик и Через год Apple выпустит умный холодильник”. Разберем это выражение по логическим частям. Возьмем первую. Допустим я действительно ем дошик. Это значит, что первая часть предложения “я ем дошик” — истина. Теперь посмотрим на вторую часть “через год Apple выпустит умный холодильник”. Мы не знаем, что это True или false. Поэтому его значение Unknown. Поскольку значение второй части напрямую влияет на результат всего выражения, а ответ мы не знаем, мы не можем дать конечный ответ, истина это или ложь, соответственно значение ВСЕГО выражения: “не знаю” или же Unknown.

Я ем дошик = True. Через год Apple выпустит умный холодильник = Unknown

Я ем дошик И Через год Apple выпустит умный холодильник. True AND Unknown = Unknown

Теперь, мы немного изменим наше выражение. “Я ем дошик ИЛИ Через год Apple выпустит умный холодильник”. В этом случае, мы берем максимальное значение — решение первой части предложения “Правда” или же 1. Это значит, что ответ на вторую, неизвестную часть предложения никак не влияет на конечный результат, так как мы уже нашли максимум, соответственно ответ, в данном случае, истина.

Я ем дошик ИЛИ Через год Apple выпустит умный холодильник. True OR Unknown = True

Эта логика называется “Сильная логика Клини”, в честь американского математика Стивена Коула Клини. Она позволяет избежать ответа на сложный вопрос в данный момент времени. Это третье значение часто используется в базах данных дабы указать на отсутствие информации.

Парадокс лжеца

Логика Клини не решает сложные задачи, она избегает ответ. Теперь мы рассмотрим логику, которая способна ответить даже на самые парадоксальные вопросы. Например возьмём проблему с двумя кнопками.

Перед вами две кнопки. Надпись на синей кнопке утверждает, что красная кнопка врёт, а надпись на красной кнопке говорит, что синяя кнопка говорит правду. Вопрос в том, какой кнопке стоит доверять. Не старайтесь, эту задачу мы решить не можем, так как просто не знаем кто лжец. Парадокс в противоречии. Как кнопка может врать и говорить правду одновременно? Нам остаётся только сказать, что ответ неизвестен. Но, есть вариант троичной логики, который способен ответить на этот вопрос. Эта логика называется логика парадокса.

Логика парадокса

Отличие парадоксальной логики в том, как мы определяем значение “истина”. В логике Клини истина это всегда True, в то время как в парадоксальной логике истина это то, что не False. Следите за руками. То есть Unknown в виде результата выражения равняется True.

Самое интересное в этой логике то, что третье значение сразу и True и False. Почему? Сейчас объясним на простом примере. Допустим мы возьмём уже знакомое нам выражение “Через год Apple выпустит умный холодильник” и продублируем его, но инвертируем и добавим вентиль AND между ними. В итоге мы получим выражение: “Через год Apple выпустит умный холодильник И Через год Apple не выпустит умный холодильник”. В обычной логике эта фраза не имеет никакого смысла, но не в логике парадокса.

Как уже упоминалось ранее, мы не знаем ответ на это выражение, значит результат — Unknown, и по правилам троичной логики, противоположность неизвестного значения — неизвестно. В упрощённом варианте это выражение выглядит так (UNKNOWN AND NOT UNKNOWN). Что всё это значит?

И идея в том, что мы не можем сказать, что это утверждение однозначно ложное.
А значит, считает логика парадокса, его можно считать истинным.

Отсюда и парадокс. Как Apple выпустит умный холодильник и не Apple выпустит умный холодильник одновременно?

• A = Через год Apple выпустит умный холодильник
• NOT A = Через год Apple не выпустит умный холодильник
• Через год Apple выпустит умный холодильник И Через год Apple не выпустит умный холодильник
• A AND NOT A

Как улучшить компьютер?

Теперь о применении. Троичная логика в компах сильно увеличит объем информации, с которой может работать процессор. Смотрите, возьмём 1 мегабайт в двоичной системе или же 1,048,576 байт, ну или сразу 8,388,608 бит. Ровно столько клеток имеет процессор для хранения информации. Всего такой комп может хранить 2^8,388,608 разных чисел.

Теперь представим, что компьютер стал троичным. Каждая клетка уже хранит одно из трех значений. Соответственно, количество возможных чисел возрастает до 3^8,388,608. Сколько же это в битах? Для того, чтобы это выяснить, нам нужно найти логарифм этого числа в третьей степени (не уверен так ли правильно сказать) (log 3^8,388,608). Финальное значение 13,295,629 бит. Прирост примерно 58% из-за того, что число 3 ближе к числу e, равному 2.71828. При этом приросте мы не увеличиваем количество клеток в памяти, что просто офигенно.

Что касается скорости, с приходом троичных компов, сильно возрастает эффективность процессоров, так как количество бесполезных операций заметно упадет. Это означает, что на выполнение задач троичный комп требует меньше логических элементов, чем двоичный. Например, для определения знака числа, троичный комп произведет всего одну операцию, а двоичному нужно две.

Меньшее количество элементов, в свою очередь, ускоряет обработку информации, повышает надёжность, сокращает энергопотребление и тепловыделение, а также снижает стоимость. Ваши смартфоны стали бы легче, быстрее, холоднее и дешевле.

Заключение

Где применяется? Так, с троичной логикой разобрались, теперь перейдем к тому, где она применяется.

Троичный компьютер. Самым первым троичным компом был «Сетунь», созданный в 1958-ом году нашими соотечественниками из МГУ.

Невероятно эффективная машина, которая показывала примерно 95% полезного времени в операциях. Другими словами «Сетунь» почти не тратил времени на бесполезные задачи по типу операции на определение знака числа. К слову, в те времена другие компы в лучшем случае имели только 60% полезного времени.

Произвели на свет всего 50 штук, но к сожалению запустить «Сетунь» в массовое производство не удалось. Правительство СССР было против этой технологии и в 1965-ом производство свернули, заменив на двоичные аналоги.

Интересно то, что, чтобы приблизить двоичный компьютер по эффективности к «Сетунь», потребовалось потратить в 2,5 больше денег из-за тех же лишних операций.

База данных

Базы данных на основе языка SQL также используют троичнную логику. Значение null в SQL означает отсутствие информации и может являться чем угодно. Если это значение влияет на финальное выражение, то результат будет неизвестен, или же Unknown. Всё, как в логике Клини.

К примеру, нам нужно получить имя и фамилию пользователя. Если мы знаем имя, но не знаем фамилию, мы можем просто заменить ответ на null, то есть неизвестное значение.

Квантовый компьютер (в будущем)

Теперь поговорим про квантовые компьютеры. В одном из наших прошлых роликов мы рассказывали про принцип работы кубитов. В кратце, квантовые биты способны принимать сразу два значения, единица и ноль одновременно. Это состояние называется суперпозицией.

Но что будет если мы и здесь всунем триты? В итоге мы получим кутриты, которые способны находится в суперпозиции уже не с двумя значениями одновременно, а тремя.

Преимущество кутритов над кубитами, по сути, то же, что и тритов над битами. Кутриты могут существенно упростить реализацию некоторых квантовых алгоритмов и компьютеров, тем самым увеличить эффективность, а также эффективность памяти.

Почему не прижилась?

Теперь перейдем к тому, почему мы до сих пор не используем троичную логику в наших компьютерах. Эксперименты с повседневными троичными компьютерами несомненно проводились и удачно, но в итоге попытки их распространения провалились, так как все всё равно остались сидеть на двоичных.

Причина достаточно банальна. Мы слишком привыкли к битам и переход на троичную логику бы значил переработку вообще всего, начиная с языков программирования, заканчивая строением процессоров, что потребовало бы огромных вложений как и времени, так и денег.

Ещё одна причина заключается в принципе работы транзисторов в процессоре. Напряжение в них колеблется, поэтому добавив дополнительные значения, сигнал может менять состояния когда не нужно. А также троичная система счисления просто пока не нужна. На данный момент той эффективности, которую нам дают два значения нам вполне хватает.

Сегодня будет очень интересно, но очень сложно, ведь речь пойдет о квантовых компьютерах. Будем говорить о том, что такое кубит? Что такое состояние неопределенности и квантовой запутанности? Увидим и покажем настоящий квантовый компьютер в Москве, а заодно узнаем — как его сделать?

СПИКЕРЫ:
Алексей Федоров — руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» в Российском квантовом центре
Александр Борисенко — лаборатория «Оптика сложных квантовых систем» Физического Института им. П.Н. Лебева РАН

СОДЕРЖАНИЕ:
00:00 Вступление: Не очень понятно…
00:58 Важный анонс от Бориса Веденского
02:35 Вы понимаете как работает квантовый компьютер?
08:42 Что происходит с кубитами внутри квантового компьютера?
11:51 Примитвный пример работы квантового компьютера
16:50 Как мы выдаем запрос квантовому компьютеру?
21:49 Какие операторы есть для кубитов?
27:45 Квантовый компьютер увеличивает мощность экспоненциально
30:55 Что означает квантовое превосходство?
32:06 Сколько стоит квантовый компьютер от Google?
33:03 Будут ли игры под квантовый компьютер и смартфоны на квантовом чипе?
35:40 Примеры задач для кубитов
40:35 Как выглядит программирование под квантовый компьютер?
43:04 Почему квантовый компьютер выглядит как люстра?
48:10 Безопасность и криптографические ключи
56:54 Квантовый компьютер на ультрахолодных ионах
01:01:45 Каким образом связанность кубитов на расстоянии позволяет создавать новые технологии коммуникации?
01:08:09 В каком состоянии развитие квантовых компьютеров?
01:12:05 Спасибо, что посмотрели

Давайте начнем с философского вопроса: возможны ли вечные двигатели?

Идеальная картинка: некоторое устройство, которое потребляет меньше энергии, чем производит и при этом совершает работу бесконечно! Но люди, которые интересовались вопросом или помнят школьную физику четко и сразу ответят, что конечно нет. Вечный двигатель невозможен, так как он будет нарушать базовые законы термодинамики!

Ну а можно ли создать систему, которая будет бесконечно делать что-либо без приложенной к нему энергии? И опять же ответ четкий — нет нельзя, потому что опять же нарушаем законы термодинамики! Никакой маятник не будет качаться вечно!

Или все-таки можно?

Можно ли создать такую систему, которая будет идентично повторять саму себя и как бы возвращаться к тому состоянию, в котором она уже была? И причем делать это вечно и самостоятельно. Оказалось, что да! И только что это продемонстрировали не абы кто, а Google!

Сейчас мы вам расскажем, как Google с помощью своего квантового компьютера создали так называемый темпоральный кристалл, который рушит основополагающие физические законы! Его также называют кристаллом времени или Time Crystal. Если хотите узнать что это — устраивайтесь поудобнее.

Введение

Для начала надо понять, при чем тут кристалл и почему он темпоральный! Приготовьтесь, сейчас будет немного теории, но мы, как всегда, постарались объяснить все просто и интересно!

Вы знаете, что есть несколько возможных агрегатных состояний вещества: газ, жидкость, твердое вещество и плазма! Это четыре основных состояния любого вещества во вселенной, но на самом деле их чуть больше. Есть экзотические состояния, которые проявляются, к примеру только при очень низких температурах — например, сверхтекучесть, когда жидкость может течь без сопротивления, и может сама вытекать из колбы просто по стенкам, или Конденсат Бозе — Эйнштейна.

На самом деле ученые определяют больше состояний.

Все эти состояния вещества имеют определенные свойства. В газе, например, атомы и молекулы хаотично заполняют собой весь объем и не связаны друг с другом.

У твердого тела же возможны два различных состояния — аморфное, когда тело сохраняет свою форму и объем, при этом атомы в самом теле расположены практически как угодно. А второе состояние — кристаллическое. Тут то все и становится интересно.

Кристаллическое состояние — это такое состояние твердого тела, при котором атомы располагаются в строго заданных местах. Для твердого тела — это стабильное состояние! То есть твердые тела стремятся к порядку: к тому, чтобы все атомы располагались в своих местах.

При кристаллическом состоянии атомы находятся в узлах решетки, в строго определенном местоположении, и таким образом создают трехмерную структуру.

Представьте себе Кубик Рубика, где все клеточки одного цвета. Вот вы смотрите на одну из граней такого кубика и все девять клеточек расположены в определенных позициях. И вы начинаете его медленно вращать!

При этом для вас, как для наблюдателя, картинка меняется, вы уже начинаете смотреть сразу на 18 клеточек, потому что начинаете видеть другую грань. И так происходит пока вы не повернете его на 90 градусов. В этот момент кубик для вас будет точно таким же как когда вы начали его вращать! Это называется пространственной вращательной симметрией. Есть и другие типы пространственной симметрии, когда вы смещаете кубик в определенные стороны.

Все типы идеальных кристаллических решеток имеют такие пространственные симметрии! При этом природа кристаллов очень красивая и таких трехмерных структур ограниченное количество.

Все кристаллические структуры могут описываться всего четырнадцатью, так называемыми, решетками Бравэ! Это теоретическая группа, которая описывает все трехмерные кристаллические решетки.

Пространство и время

И вот в 2012 году, нобелевский лауреат по физике Франк Вильчек выдвинул теорию о том, что можно создать такой тип материала, который бы повторял себя не в пространстве, а во времени! То есть обладал бы временной симметрией, где через определенные промежутки времени материя возвращалась бы в определенное состояние, в котором она уже была до этого!

Если взять пример вам можете показаться что в этом нет ничего интересного. Самое простое — взять монетку: повернул орлом, потом повернул решкой, потом обратно. И так далее — вот тебе и временная симметрия! И вы частично будете правы!

Но есть одно но… Помните, что я сказал, что кристаллическое состояние — это состояние с наименьшей энергией, так вот тут тоже самое. Во временных, или правильнее будет сказать темпоральных кристаллах, система находится в стабильном состоянии — то есть в состоянии с наименьшей энергией и система эта не взаимодействует и не получает энергию извне. Если совсем просто — сам кристалл не требует энергии вообще… Не считая, что нужно поддерживать определенные условия вокруг! То есть это система, которая также как кристалл в пространстве, меняется но только во времени и при этом не затрачивая энергии!

Представьте себе коробку с монетами, где каждая монетка смотрит орлом вверх, потом вы ее закрыли, открыли, а они уже смотрят решкой вверх. И так далее. Идеальное, бесконечное, повторяющееся изменение!

С тех пор было много дискуссий, в которых ученые пытались понять — возможны ли такие кристаллы в принципе. Дискуссия была оживленной, были доказательства как с одной, так и с другой стороны!

Google и темпоральный кристалл

Но вот тут то и наступает 2021 год, что по меркам фундаментальной науки очень короткий срок. Всего через 9 лет команда, которая работает на квантовом компьютере Google Sycamore вместе с кучей ученых из Стэнфорда, Принстона, MIT и других университетов, выпустили статью в Arxiv, и уже отправили ее на рецензию в один из самых престижных журналов Nature. В ней они говорят, что впервые был получен настоящий темпоральный кристалл, то есть такая система кубитов, которая меняется с определенной периодичностью во времени.

Как же они это сделали?

В их квантовом компьютере они использовали специальную двумерную сетку из 8, 12, 16 и 20 кубитов. Увеличивая количество кубитов они усложняли структуру пытаясь понять стабильность системы.

В общем, к системе из кубитов подавались импульсы, которые начинали переворачивать спины кубитов вверх и вниз. И этот начальный импульс фактически не является передачей энергии, так как даже изменяя частоту импульса или вообще убирая его, кристалл продолжает меняться с определенной периодичностью и если сохранять определенные состояния окружающей среды, то система может делать так бесконечно!

И вот тут то начинается самое интересное! Как раз это и нарушает Второй закон термодинамики, который гласит, что любая система стремиться к равномерному распределению температуры и энергии по всему своему объему. Такое состояние физики еще называют «тепловой смертью». А тут система находится в покое и при этом продолжает постоянно меняться!

Давайте еще раз проговорим, система возвращается в абсолютно исходное состояние, потом снова переходит в другое, и потом обратно! И так она может прыгать бесконечно долго!

И это, мягко говоря удивляет, поэтому в своей статье ученые сами говорят, что пока что не особо понимают действительно ли это настоящий темпоральный кристалл и призывают научное сообщество к дискуссии!

А что дальше?

Ну и что дальше с этим всем делать? Зачем нужен этот кристалл и что вообще это открытие дает? Ну, во-первых, это просто очень круто! Только подумайте — фактически реализована система, нарушающая один из основополагающих законов природы. Вечный двигатель, не иначе! Хотя конечно же это не совсем двигатель, так как такой кристалл не производит энергии.

Во-вторых, как и с многими фундаментальными исследованиями, важность такого открытия, если конечно его подтвердят и повторят другие научные группы, может стать нам ясна через много лет! Просто мы сами еще не понимаем насколько это важное открытие.

Ну и наконец, в-третьих. Уже высказываются предположения, что такие кристаллы могут стать основой для памяти для квантовых компьютеров. Напомним, что у квантовых компьютеров сейчас нет как таковой памяти или накопителя. Квантовые компьютеры для каждой задачи каждый раз программируются заново так как кубиты очень нестабильны и не могут долго сохранять свое квантовое состояние. Ну а темпоральные кристаллы из-за своей идеальной периодичности и повторяемости позволяют создать на их основе гироскопы или сверхточные часы!

Интересно, а какая сторона у монетки в тот момент, когда она в воздухе? Орел или решка, горит или не горит, открытое или закрытое, 1 или 0. Все это примеры двоичной системы, то есть системы, которая имеет всего два возможных состояния. Все современные процессоры в своем фундаменте основаны именно на этом!

При правильной организации транзисторов и логических схем можно сделать практически все! Или все-таки нет?

Современные процессоры это произведение технологического искусства, за которым стоят многие десятки, а то и сотни лет фундаментальных исследований. И это одни из самых высокотехнологичных устройств в истории человечества! Мы о них уже не раз рассказывали, вспомните хотя бы процесс их создания!

Процессоры постоянно развиваются, мощности растут, количество данных увеличивается, современные дата-центры ворочают данные сотнями петабайт (1015 = 1 000 000 000 000 000 байт). Но что если я скажу что на самом деле все наши компьютеры совсем не всесильны!

Например, если мы говорим о BigData (больших данных) то обычным компьютерам могут потребоваться года, а то и тысячи лет для того, чтобы обработать данные, рассчитать нужный вариант и выдать результат.

И тут на сцену выходят квантовые компьютеры. Но что такое квантовые компьютеры на самом деле? Чем они отличаются от обычных? Действительно ли они такие мощные? Будет ли на них CS:GO идти в 100 тысяч ФПС?

Вы давно нас просили, разобраться в этой теме — устраивайтесь поудобнее!

Небольшая затравочка — мы вам расскажем, как любой из вас может уже сегодня попробовать воспользоваться квантовым компьютером!

Устраивайтесь поудобнее, наливайте чай, будет интересно.

Глава 1. Чем плохи обычные компьютеры?

Начнем с очень простого классического примера.

Представим, что у вас есть самый мощный суперкомпьютер в мире. Это компьютер Фугаку. Его производительность составляет 415 ПетаФлопс.

Давайте дадим ему следующую задачку: надо распределить три человека в две машины такси. Сколько у нас есть вариантов? Нетрудно понять что таких вариантов 8, то есть это 2*2*2 или 2 в третьей степени.

Как быстро наш суперкомпьютер справится с этой задачей? Мгновенно! Задачка-то элементарная.

А теперь давайте возьмем 25 человек и рассадим их по двум шикарным лимузинам, получим 2 в 25 степени или 33 554 432 варианта. Поверьте, это число тоже плевое дело для нашего суперкомпьютера.

А теперь 100 человек и 2 автобуса, сколько вариантов?

Считаем: 2 в 100 степени — это примерно 1.27х1030 степени! Или 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 вариантов.

Теперь нашему суперкомпьютеру на перебор всех вариантов понадобится примерно 4.6*10^+35 (4.6 на 10 в 35 степени) лет. А это уже очень и очень много. Такой расчет займет больше времени чем суммарные жизни сотен вселенных.

Суммарные жизни нашей вселенной: 14 миллиардов лет или 14 на 10 в 9 степени.

Даже если мы объединим все компьютеры в мире ради решения, казалось бы, такой простой задачки как рассадка 100 человек по 2 автобусам — мы получим решение, практически никогда!

И что же? Все? Выхода нет?

Есть, ведь квантовые компьютеры будут способны решить эту задачку за секунды!

И уж поверьте — использоваться они будут совсем не для рассадки 100 человек по 2 автобусам!

Глава 2. Сравнение. Биты и Кубиты

Давайте разберемся, в чем же принципиальная разница.

Мы знаем, что классический процессор состоит из транзисторов и они могут пропускать или не пропускать ток, то есть быть в состоянии 1 или 0 — это и есть БИТ информации.  Кстати, рекомендую посмотреть наше видео о том как работают процессоры.

Вернемся к нашему примеру с двумя такси и тремя людьми. Каждый человек может быть либо в одной, либо в другой машине — 1 или 0.

Вот все состояния:

Для решения процессору надо пройти через абсолютно все варианты один за одним и выбрать те, которые подходят под заданные условия.

В квантовых компьютерах используются тоже биты, только квантовые и они принципиально отличаются от обычных транзисторов.

Они так и называются Quantum Bits, или Кубиты.

Что же такое кубиты?

Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Их главное свойство — они способны находится одновременно в 2 состояниях, то есть в особом состоянии — суперпозиции.

Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.

Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка….

В нашем случае они одновременно 1 и 0!

Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось.

Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики!

Квантовый компьютер внутри

Говоря о самом устройстве, если мы привыкли к полупроводникам и кремнию в обычных процессорах, то в случае квантовых компьютеров люди все еще ищут, какие именно квантовые объекты лучше всего использовать для того, чтобы они выступили кубитами. Сейчас вариантов очень много — это могут быть и электроны со своим спином или, например, фотоны и их поляризация. Вариантов множество.

И это далеко не единственная сложность, с которой столкнулись ученые! Дело в том, что квантовые кубиты довольно нестабильны и их надо держать в холодном месте, чтобы можно было контролировать.

И если вы думаете, что для этого будет достаточно водяного охлаждения вашего системника, отчасти вы правы, только если залить туда жидкий Гелий, температура которого ниже минус двухсот семидесяти градусов Цельсия! А для его получения используются вот такие вот здоровые бочки.

Фактически, квантовые компьютеры — это одни из самых холодных мест во вселенной!

Принцип работы квантового компьютера

Давайте вернемся к нашей задачке про трех людей и две машины и рассмотрим ее с точки зрения квантового компьютера:

Для решения подобной системы нам понадобится компьютер с 3 кубитами.

Помните, что классический компьютер должен был пройти все варианты один за одним? Так вот поскольку кубиты одновременно имеют состояния «1» и «0», то и пройти через все варианты он сможет, фактически одновременно!

Знаю, что прозвучит максимально странно, но представьте, что в данной ситуации наши три кубита создают 8 различных параллельных миров, в каждом из которых существует одно решение, а потом они все собираются в один! Реально «Мстители» какие-то!

Но что же получается? Он выдает все варианты сразу, а как получить правильный?

Для этого существуют специальные математические операторы, например оператор Грувера, который позволяет нам определять правильные результаты вычислений квантовых систем! Это специальная функция, которая среди всех возможных вариантов находит нужный нам.

Помните задачку про 100 человек в 2 автобуса, которую не смогли бы решить все современные компьютеры вместе взятые? Для квантового компьютера со 100 кубитами эта задачка все равно что семечку щелкнуть! То есть компьютер находится одновременно в 2 в 100 степени состояний, а именно:

1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 — вот столько состояний одновременно! Столько параллельных миров!

Думаете, что всё это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Да, вы правы. Есть куча нюансов и ограничений. Например, ошибка. Проблема в том, что кубиты, в отличие от обычных битов, не определены строго.

У них есть определенная вероятность нахождения в состоянии 1 или 0. Поэтому есть вероятность ошибки и чем больше кубитов в системе, тем больше суммарная вероятность, что система выдаст неправильный ответ. Поэтому зачастую надо провести несколько расчетов одной и той же задачи, чтобы получить верный ответ.

Ну то есть как верный? Он всегда будет содержать в себе минимальную возможность ошибки вследствие своей сложной квантовой природы, но ее можно сделать ничтожно малой, просто прогнав вычисления множество раз!

Квантовые компьютеры сегодня

Теперь перейдем к самому интересному — какое состояние сейчас у квантового компьютера? А то их пока как-то не наблюдается на полках магазинов!

На самом деле все, что я описал выше, это не такая уж и фантастика. Квантовые компьютеры уже среди нас и уже работают. Их разработкой занимаются GOOGLE, IBM, INTEL, MICROSOFT и другие компании поменьше. Кроме того в каждом большом институте есть исследовательские группы, которые занимаются разработкой и исследованием квантовых компьютеров.

В октябре прошлого года, в журнале Nature, Google выложила статью, которая шарахнула по всему миру огромными заголовками — КВАНТОВОЕ ПРЕВОСХОДСТВО!

В Google создали квантовый компьютер с 53 кубитами и смогли решить задачку, за 200 секунд, на решение которой у обычного компьютера ушло бы 10000 лет!

Конечно IBM было очень обидно и они начали говорить, что задача слишком специальная, и вообще не 10000 лет, а 2.5 дня, но факт остается фактом — квантовое превосходство было достигнуто в определенной степени!

Так что теперь вопрос считанных лет, когда квантовые компьютеры начнут использоваться повсеместно! IBM, например, только что анонсировали что в 2023 году создадут коммерческий квантовый компьютер с 1121 кубитами!

Чтобы вы понимали калькулятор Google даже не считает сколько будет 2 в 1121 степени, а просто говорит — бесконечность! И это совсем не предел.

Уже ведется разработка компьютеров на миллионы кубитов — именно они откроют истинный потенциал квантовых вычислений.

Более того, вы уже сейчас можете попробовать самостоятельно попробовать квантовые вычисления! IBM предлагает облачный доступ к самым современным квантовым компьютерам. Вы можете изучать, разрабатывать и запускать программы с помощью IBM Quantum Experience.

Но зачем вообще нужны квантовые компьютеры и где они будут применяться?

Естественно, не для распихивания людей по автобусам.

Задач множество. Главная — базы данных и поиск по ним, работа с BigData станет невероятно быстрой. Shazam, прокладывание маршрутов, нейронные сети, искусственный интеллект — все это получит невероятный толчок! Кроме того симуляции и моделирование квантовых систем! Зачем это надо — спросите вы?

Это очень важно, так как появится возможность строить модели взаимодействия сложных белковых соединений.

Это станет очень важным шагом для медицины, открывающим просто умопомрачительные просторы для создания будущих лекарств, понимания того как на нас влияют разные вирусы и так далее. Простор огромен!

Чтобы вы примерно понимали какая это сложная задачка, мы вернемся в примеру с монеткой. Представьте что вам надо заранее смоделировать что выпадет — орел или решка.

Надо учесть силу броска, плотность воздуха, температуру и кучу других факторов. Сложно? Ну не так уж!

А теперь представьте, что у вас не один человек, который кидает монетку, а миллион разных людей, в разных местах, по-разному кидают монетки. И вам надо рассчитать что выпадет у всех! Вот примерно настолько сложная эта модель о взаимодействии белков.

Кроме того, вы наверняка слышали о том, что квантовые компьютеры сделают наши пароли просто пшиком, который можно будет подобрать за секунды. Но это уже совсем другая тема…

Вывод

Какой вывод из всего этого мы можем сделать, квантовый компьютер — это принципиально новая система. Она отличается от обычных компьютеров в самом фундаменте, в физических основах на которых работает.

Их на самом деле даже нельзя сравнивать! Это все равно, что сравнивать обычные счеты и современные компьютеры!

И конечно есть большие сомнения, что вы когда-нибудь сможете прийти в магазин и купить свой маленький квантовый процессор. Но они вам и не нужны. Квантовые компьютеры для обычного пользователя станут как современные дата-центры, то есть нашими невидимыми помощниками, которые расположены далеко и которые просто делают нашу жизнь лучше или как минимум другой!

Агентство стратегических инициатив (АСИ) разработало программу “Национальная технологическая инициатива” (НТИ), которая, в частности, предусматривает внедрение технологии телепортации к 2035 году.

Также программа предполагает создание в России собственного языка программирования, безопасной связи на основе квантовых коммуникаций и оператора связи для беспилотников.
(далее…)

Один из создателей Android и основатель фонда Playground Global на конференции Bloomberg’s Tech Conference заявил,  что скоро все гаджеты будут управляться искусственным интеллектом.

Энди Рубин считает, что расчеты будут производиться квантовыми компьютерами. Ученые позволят ИИ обучаться, поэтому он сможет общаться с людьми и работать с любыми данными.

“Новые вычислительные платформы появляются каждые 10-12 лет. Какой будет следующая платформа? Она будет касаться данных и людей, помогающих искусственному интеллекту учиться”, — заявил бизнесмен.

По мнению создателя Android, квантовые компьютеры будут настолько мощными, что одного устройства хватит для обеспечения вычислительных потребностей всей планеты.

Отметим, что ранее Google заявила о том, что удалось построить прототип квантового компьютера. Так что заявление Энди Рубина имеет под собой веские основания.

Источник: Bloomberg