Квантовое превосходство. Зачем нам квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры — одно из самых сложных и перспективных направлений в IT, но зачем они вообще нужны?
В
ычислительные мощности обычных компьютеров (то, что компьютеры стали «обычными» — само по себе явление относительно недавнее) росли экспоненциально, и казалось, что они вот-вот смогут все. Решат все те проблемы, с которыми люди не хотят или не могут разобраться самостоятельно. В дешевом телефоне, лежащем в кармане школьника, больше вычислительных мощностей, чем у компьютера, рассчитавшего полет человека на Луну. Однако нам все мало.
Когда микропроцессоры приблизились к физическом пределу плотности размещения транзисторов, из компьютеров стали строить суперкомпьютеры, объединять в вычислительные сети и кластеры, создавать нейросетевые структуры…
Но эта гонка никак не заканчивается. Почему?
Что мы никак не можем посчитать?
Суперкомпьютер Фугаку имеет производительность в 415 ПетаФлопс, где FLOPS — внесистемная единица, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду он выполняет. Но несмотря на фантастическую вычислительную мощность современных суперкомпьютеров, есть множество задач, которые они никак не осиливают. Чтобы всего-то рассчитать все варианты размещения 100 пассажиров в двух автобусах (два в сотой степени вариантов) бедному Фугаку потребуется 4.6 х 10 в 35 степени лет, что больше теоретического срока существования Вселенной. А чтобы спрогнозировать движение 30 электронов в ограниченном пространстве, нам не поможет даже суперкомпьютер, в оперативной памяти которого больше битов, чем атомов в видимой области Вселенной. Эти задачи кажутся нелепыми и надуманными, но это не так — есть немало весьма важных прикладных областей, где расчеты такого рода вполне востребованы. Например — строить модели взаимодействия сложных белковых соединений. Или спрогнозировать ваше потребительское поведение по BigData, чтобы убедить купить что-то, то вы покупать не собирались. Или рассчитать варианты размещения десятков тысяч деталей на одной плате, так, чтобы длина проводников между ними была минимальна. Или подобрать пароль к вашему криптокошельку.
Ограниченность компьютеров — в их бинарной логике и решении комбинаторных задач перебором, что требует огромных ресурсов. Можно ли с этим что-то сделать?
Кое-что можно. Например, отказаться от бинарной логики. И тут мы приходим к квантовой неопределенности…
«Да», «Нет» и «Даданетда»
Обычный компьютер имеет двоичную логику. Информация в нем структурирована битами, который могут иметь значение «ноль» или «единица», то есть «да» или «нет». Физически, это закрытый или открытый транзистор. В квантовых компьютерах используются тоже биты, только квантовые — Quantum Bits, или Кубиты. Это не ячейка транзистора, а квантовый объект, который имеет свойство неопределенности. Что это такое и как вообще возможно, во всем мире понимают человек, может быть, сто. Или десять. Или ни одного. Впрочем, с физическим принципом электричества, в общем, та же картина, но это никому еще не помешало включить лампочку.